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JP7617171B2 - Resistive random access memory having a post-patterned memory film to provide improved endurance characteristics and method of forming same - Google Patents
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JP7617171B2 - Resistive random access memory having a post-patterned memory film to provide improved endurance characteristics and method of forming same - Google Patents

Resistive random access memory having a post-patterned memory film to provide improved endurance characteristics and method of forming same Download PDF

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Description

本開示は、半導体構造及びその形成方法に関する。 This disclosure relates to semiconductor structures and methods for forming the same.

幾つかのタイプの抵抗変化型メモリデバイスは、酸素欠損を含む導電経路が形成された誘電体金属酸化物材料を使用している。導電経路は、誘電体金属酸化物材料上に提供される2つの電極に電気バイアスを印加することによって形成又は消去することができ、導電経路の有無に応じて2つの電極間に異なる抵抗値を提供することによって情報を記憶することができる。 Some types of resistive memory devices use a dielectric metal oxide material in which conductive paths containing oxygen vacancies are formed. The conductive paths can be formed or erased by applying an electrical bias to two electrodes provided on the dielectric metal oxide material, and information can be stored by providing different resistance values between the two electrodes depending on the presence or absence of the conductive paths.

本開示の様々な実施例によると、第1の金属材料を含む第1の電極と、少なくとも1つの誘電体金属酸化物材料を含み、第1の電極に接触し、不動態化元素と酸素との第1の平均原子比が0.01未満である中央領域と、不動態化元素と酸素との第2の平均原子比が0.05よりも大きい周辺領域と、を含むメモリ膜と、第2の金属材料を含み、メモリ膜に接触する第2の電極と、を含む半導体構造を提供する。一つの実施例において、不動態化元素は、フッ素及び窒素から選ばれる。 According to various embodiments of the present disclosure, a semiconductor structure is provided that includes a first electrode comprising a first metallic material, a memory film comprising at least one dielectric metal oxide material and contacting the first electrode, the memory film comprising a central region having a first average atomic ratio of a passivating element to oxygen less than 0.01 and a peripheral region having a second average atomic ratio of a passivating element to oxygen greater than 0.05, and a second electrode comprising a second metallic material and contacting the memory film. In one embodiment, the passivating element is selected from fluorine and nitrogen.

本開示の別の態様によると、メモリセルの二次元アレイを含む半導体構造であって、メモリセルは、基板8で被覆される個別の第1の電極と、個別のメモリ膜と、個別の第2の電極と、を含み、二次元アレイ積み重ね内の各メモリ膜は、不動態化元素と酸素との平均原子比が0.01未満である個別の中央領域と、不動態化元素と酸素との平均原子比が0.05よりも大きい個別の周辺領域と、を含む、半導体構造を提供する。一つの実施例において、不動態化元素は、フッ素及び窒素から選ばれる。 According to another aspect of the present disclosure, there is provided a semiconductor structure including a two-dimensional array of memory cells, the memory cells including a respective first electrode overlaid with a substrate 8, a respective memory film, and a respective second electrode, each memory film in the two-dimensional array stack including a respective central region having an average atomic ratio of a passivation element to oxygen less than 0.01 and a respective peripheral region having an average atomic ratio of the passivation element to oxygen greater than 0.05. In one embodiment, the passivation element is selected from fluorine and nitrogen.

本開示の様々な実施例によると、第1の電極と、非化学量論的酸素欠乏誘電体金属酸化物材料を含む少なくとも1つのメモリ膜と、第2の電極と、を含む積み重ねを基板の上方に形成する工程と、メモリ膜の周辺領域において不動態化元素と酸素との平均原子比が0.01未満の第1の数から0.05よりも大きい第2の数まで増加するように、積み重ねに不動態化プラズマ処理を実行する工程と、を含み、不動態化元素は、フッ素及び窒素から選ばれる半導体構造の形成方法を提供する。 According to various embodiments of the present disclosure, a method for forming a semiconductor structure is provided, comprising forming a stack above a substrate, the stack including a first electrode, at least one memory film including a non-stoichiometric oxygen-deficient dielectric metal oxide material, and a second electrode, and performing a passivation plasma treatment on the stack such that an average atomic ratio of the passivation element to oxygen in a peripheral region of the memory film increases from a first number less than 0.01 to a second number greater than 0.05, the passivation element being selected from fluorine and nitrogen.

本開示の態様は、添付図面と共に検討される場合、以下の詳細な説明から最適に理解される。注意すべきなのは、業界の標準仕様では、様々な特徴が比例して描画されないことである。実際には、様々な特徴のサイズは、明確にするために、任意に増減されてよい。
本開示の実施例による相補型金属酸化物半導体(complementary metal-oxide-semiconductor;CMOS)トランジスターと、下部レベル誘電体材料層、及び下部レベルビアホール誘電体層に形成された下部レベル金属相互接続構造とが形成された後の第1の例示的な構造の垂直断面図である。 本開示の実施例による底部接続ビアホール構造が形成された後の第1の例示的な構造の垂直断面図である。 図2Aの第1の例示的な構造の平面図である。 図2Aにおける領域Cの拡大図である。 本開示の実施例によるエッチング・ストップ誘電体材料層及びパターン化フォトレジスト層が形成された後の第1の例示的な構造の領域Cの拡大図の垂直断面図である。 本開示の実施例によるエッチング・ストップ誘電体材料層をパターン化して、少なくとも1つの底部金属バリア層、底部電極層、少なくとも1つの誘電体金属酸化層、頂部電極層、少なくとも1つの頂部金属バリア層、及びハードシールド層を含む層積み重ねを堆積した後の第1の例示的な構造の領域Cの拡大図の垂直断面図である。 本開示の実施例によるパターン化フォトレジスト層が形成された後の第1の例示的な構造の領域Cの拡大図の垂直断面図である。 本開示の実施例によるメモリセルアレイが形成された後の、第1の例示的な構造のメモリセルを含む領域Cの拡大図の垂直断面図である。 図6Aの処理工程での第1の例示的な構造の平面図である。 本開示の実施例による不動態化プラズマ処理プロセスが実行された後の、第1の例示的な構造のメモリセルを含む領域Cの拡大図の垂直断面図である。 処理されていない酸化ハフニウム表面由来、及び不動態化元素を含むプラズマで処理された酸化ハフニウム表面由来の例示的なX線光電子分光データを示す。 本開示の実施例による上部ビアホールレベル誘電体材料層及び接続ビアホール構造が形成された後の第1の例示的な構造の垂直断面図である。 図9Aの処理工程での第1の例示的な構造の領域の拡大図である。 本開示の実施例によるビット線が形成された後の第1の例示的な構造の垂直断面図である。 図10Aの第1の例示的な構造の平面図である。 本開示の実施例による第1の例示的な構造の代替的な構成を含むメモリセルの領域の垂直断面図である。 本開示の実施例によるエッチング・ストップ誘電体材料層、底部金属バリアビアホール構造、底部電極層、少なくとも1つの誘電体金属酸化層、頂部電極層、少なくとも1つの頂部金属バリア層、及ハードシールド層が形成された後の第2の例示的な構造の領域の垂直断面図である。 本開示の実施例によるパターン化フォトレジスト層が形成された後の第2の例示的な構造の領域の垂直断面図である。 本開示の実施例によるハードシールド構造及び頂部電極が形成された後の第2の例示的な構造の領域の垂直断面図である。 本開示の実施例による誘電体スペーサが形成された後の第2の例示的な構造の領域の垂直断面図である。 本開示の実施例によるメモリ膜及び底部電極が形成された後の第2の例示的な構造の領域の垂直断面図である。 本開示の実施例による上部ビアホール用誘電体材料層及び接続ビアホール構造が形成された後の第2の例示的な構造の垂直断面図である。 図17Aの処理工程での第2の例示的な構造の領域の拡大図である。 本開示の実施例によるビット線が形成された後の第2の例示的な構造の垂直断面図である。 図18Aの第2の例示的な構造の平面図である。 本開示の実施例による第2の例示的な構造の第1の代替的な構成を含むメモリセルの領域の垂直断面図である。 本開示の実施例による第2の例示的な構造の第2の代替的な構成を含むメモリセルの領域の垂直断面図である。 本開示の実施例による第2の例示的な構造の第3の代替的な構成を含むメモリセルの領域の垂直断面図である。 本開示の半導体装置を製造するための一般的な処理工程を示すフロー図である。
Aspects of the present disclosure are best understood from the following detailed description when considered in conjunction with the accompanying drawings, in which: It should be noted that, as is standard practice in the industry, various features are not drawn to scale, and in fact, sizes of various features may be arbitrarily increased or decreased for clarity.
FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of a first exemplary structure after formation of a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) transistor and a lower level metal interconnect structure formed in a lower level dielectric material layer and a lower level via hole dielectric layer in accordance with an embodiment of the present disclosure. FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of the first exemplary structure after a bottom connection via hole structure is formed according to an embodiment of the present disclosure. FIG. 2B is a plan view of the first exemplary structure of FIG. 2A. FIG. 2B is an enlarged view of region C in FIG. 2A. FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of an enlarged view of region C of the first exemplary structure after an etch-stop dielectric material layer and a patterned photoresist layer are formed in accordance with an embodiment of the present disclosure. FIG. 13 is a vertical cross-sectional view of an enlarged view of region C of the first exemplary structure after patterning an etch-stop dielectric material layer according to an embodiment of the present disclosure to deposit a layer stack including at least one bottom metal barrier layer, a bottom electrode layer, at least one dielectric metal oxide layer, a top electrode layer, at least one top metal barrier layer, and a hard shield layer. FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of an enlarged view of region C of the first exemplary structure after a patterned photoresist layer is formed in accordance with an embodiment of the present disclosure. FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of an expanded view of region C including memory cells of the first exemplary structure after a memory cell array has been formed according to an embodiment of the present disclosure. 6B is a plan view of a first exemplary structure at the processing stage of FIG. 6A. FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of an expanded view of region C including memory cells of the first exemplary structure after a passivation plasma treatment process has been performed according to an embodiment of the present disclosure. 1 shows exemplary x-ray photoelectron spectroscopy data from an untreated hafnium oxide surface and from a hafnium oxide surface treated with a plasma containing a passivating element. FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of a first exemplary structure after an upper via level dielectric material layer and a connecting via structure are formed in accordance with an embodiment of the present disclosure. 9B is an enlarged view of a region of the first exemplary structure at the processing stage of FIG. 9A. FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of a first exemplary structure after bitlines are formed in accordance with an embodiment of the present disclosure. FIG. 10B is a plan view of the first exemplary structure of FIG. 10A. 2 is a vertical cross-sectional view of a region of a memory cell including an alternative configuration of a first exemplary structure according to an embodiment of the present disclosure. FIG. 13 is a vertical cross-sectional view of a region of a second exemplary structure after an etch-stop dielectric material layer, a bottom metal barrier via-hole structure, a bottom electrode layer, at least one dielectric metal oxide layer, a top electrode layer, at least one top metal barrier layer, and a hard shield layer are formed in accordance with an embodiment of the present disclosure. FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of an area of a second exemplary structure after a patterned photoresist layer is formed thereon according to an embodiment of the present disclosure. FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of a region of the second exemplary structure after a hard shield structure and a top electrode are formed in accordance with an embodiment of the present disclosure. FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of an area of the second exemplary structure after dielectric spacers have been formed in accordance with an embodiment of the present disclosure. FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of an area of a second exemplary structure after a memory film and a bottom electrode are formed in accordance with an embodiment of the present disclosure. FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of a second exemplary structure after a dielectric material layer for an upper via hole and a connecting via hole structure are formed according to an embodiment of the present disclosure. 17B is an enlarged view of a region of the second exemplary structure at the processing stage of FIG. 17A. FIG. 13 is a vertical cross-sectional view of a second exemplary structure after bitlines are formed in accordance with embodiments of the present disclosure. FIG. 18B is a plan view of the second exemplary structure of FIG. 18A. 4 is a vertical cross-sectional view of a region of a memory cell including a first alternative configuration of a second exemplary structure according to an embodiment of the present disclosure. 11 is a vertical cross-sectional view of a region of a memory cell including a second alternative configuration of a second exemplary structure according to an embodiment of the present disclosure. 11 is a vertical cross-sectional view of a region of a memory cell including a third alternative configuration of the second exemplary structure according to an embodiment of the present disclosure. FIG. 1 is a flow diagram illustrating general process steps for manufacturing a semiconductor device of the present disclosure.

以下の開示内容は、提供された目的物の異なる特徴を実施するための多くの異なる実施例又は実例を提供する。以下、本開示を簡略化するために、組立部品及び配置の特定の例について説明する。勿論、これらは、例に過ぎず、制限的なものではない。例えば、以下の説明では、第1の特徴は第2の特徴の上方又は第2の特徴に形成されることは、第1の特徴が第2の特徴と直接接触するように形成される実施例を含んでもよく、第1の特徴が第2の特徴に直接接触しないように追加の特徴が第1の特徴と第2の特徴との間に形成されてもよい実施例を含んでもよい。なお、本開示は、様々な例では、数字及び/又は文字を繰り返して参照することができる。この重複は単純化及び明確化を目的とし、記述された様々な実施例及び/又は構成の間の関係を示すものではない。 The following disclosure provides many different embodiments or examples for implementing different features of the provided objects. In the following, specific examples of assembly parts and arrangements are described to simplify the disclosure. Of course, these are merely examples and are not limiting. For example, in the following description, a first feature formed above or on a second feature may include an embodiment in which the first feature is formed so as to directly contact the second feature, and may include an embodiment in which an additional feature may be formed between the first feature and the second feature such that the first feature does not directly contact the second feature. It should be noted that the disclosure may refer to repeated numbers and/or letters in various examples. This repetition is for the purposes of simplicity and clarity and does not indicate a relationship between the various embodiments and/or configurations described.

なお、説明の便宜上、本明細書では、「~の下方にある」、「~の下にある」、「下部」、「~の上にある」、「上部」及び類似のもの等の空間相対用語を使用して、図中に示す1つの素子又は特徴と他の(複数の)素子又は特徴との関係を説明することができる。空間相対用語は、図に示されている方向以外の装置が使用又は操作する際に異なる方向をカバーすることを意図する。装置は、別の方向(90度回転又は他の方向)に向けることができ、且つ本文に使用される空間相対記述子は同様に解釈されることができる。同一の参照番号を有する素子とは、同一の素子を指し、別段の明示がない限り、同一の材料組成及び同一の厚さ範囲を有すると仮定する。 It should be noted that, for ease of explanation, spatially relative terms such as "below," "under," "lower," "over," "top," and the like may be used herein to describe the relationship of one element or feature to another element or feature shown in the figures. The spatially relative terms are intended to cover different orientations in which the device is used or operated other than that shown in the figures. The device may be oriented in another way (rotated 90 degrees or at another orientation) and the spatially relative descriptors used herein may be interpreted similarly. Elements having the same reference numbers refer to the same elements and are assumed to have the same material composition and thickness ranges unless otherwise specified.

抵抗変化型メモリセルは、抵抗変化型メモリ材料を含み、その抵抗率がプログラム化条件に応じて変化する。1つのタイプのメモリセルは、高誘電率(高k)金属酸化物材料を使用し、その中に導電性糸状体を形成することができる。導電性糸状体は、酸素原子移動によって形成された連続した酸素欠乏領域を含んでもよい。このような酸素欠損の導電性糸状体は、結晶欠陥であると考えられるが、このような酸素欠損の導電性糸状体は、適切な電気バイアス電圧を印加することによってプログラム化することができる。また、このような酸素欠損の導電性糸状体は、逆方向の電気バイアス電圧を印加することによって消去することができる。したがって、酸素欠損の導電性糸状体の存在又は非存在は、抵抗変化型メモリセル内のバイナリデータビットを符号化するために使用されることができる。 A resistive memory cell includes a resistive memory material whose resistivity changes in response to programming conditions. One type of memory cell uses a high dielectric constant (high-k) metal oxide material in which conductive threads can be formed. The conductive threads may include continuous oxygen-deficient regions formed by oxygen atomic migration. Such oxygen-deficient conductive threads are considered to be crystal defects, and can be programmed by applying an appropriate electrical bias voltage. Also, such oxygen-deficient conductive threads can be erased by applying a reverse electrical bias voltage. Thus, the presence or absence of oxygen-deficient conductive threads can be used to encode binary data bits in a resistive memory cell.

製造プロセス中、金属酸化物材料の実体露出表面セグメントは、エッチャントイオンによって付随的に損傷される恐れがあり、酸素欠乏導電性糸状体を形成しやすく、酸素欠乏導電性糸状体の除去を不利にする条件を提供する。このような表面セグメントは、抵抗変化型メモリセルの耐久性を低下させ、例えば、プログラム化と消去のサイクルが200000回以下となり、抵抗変化型メモリセルのリーク電流の増加を引き起こすことがある。 During the fabrication process, the exposed surface segments of the metal oxide material may be incidentally damaged by etchant ions, making them more susceptible to the formation of oxygen-deficient conductive filaments and providing unfavorable conditions for the removal of the oxygen-deficient conductive filaments. Such surface segments may reduce the endurance of the resistive memory cell, e.g., below 200,000 program and erase cycles, and may cause an increase in the leakage current of the resistive memory cell.

酸素欠損糸状体は、最も強い電界を有する位置に非常に形成しやすい可能性がある。シミュレーションにより、酸素欠損糸状体は誘電体金属酸化物薄膜の側壁の下の表面領域上に非常に形成しやすい可能性があることが示される。誘電体金属酸化物材料の中央領域における酸素欠損は、抵抗変化型メモリデバイスに安定した電気的特性を提供するが、誘電体金属酸化物材料のエッチング表面に形成される酸素欠損は、エッチングプロセスの間に生じた損傷によって電気的特性が変化する傾向があり、抵抗変化型メモリデバイスの電気的特性の変動性を増加させる。 Oxygen vacancy filaments may be more likely to form at locations with the strongest electric field. Simulations show that oxygen vacancy filaments may be more likely to form on the surface regions under the sidewalls of the dielectric metal oxide thin film. Oxygen vacancies in the central region of the dielectric metal oxide material provide stable electrical properties for the resistive memory device, but oxygen vacancies formed on the etched surface of the dielectric metal oxide material tend to change electrical properties due to damage caused during the etching process, increasing the variability of the electrical properties of the resistive memory device.

本開示の態様によると、フッ素含有プラズマ又は窒素含有プラズマを用いたプラズマ処理により、プログラム化電圧範囲外の誘電体金属酸化物メモリ膜の表面領域において異方性エッチングプロセスの間に導入された結晶欠陥により形成された酸素欠損糸状体を抑制することができる。酸素含有量が誘電体金属酸化物メモリ膜の中央領域よりも少ない表面不動態化層が形成される。表面不動態化層は、酸素を含まなくてもよいし、酸素を含んでいてもよい。表面不動態化層内の酸素欠損糸状体の形成が抑制される。100000回を超えるプログラム化と消去のサイクルのようなメモリセルの耐久性を強化することができ、また、メモリ膜の表面領域に酸素欠損糸状体が不足することにより、メモリセルを通したリーク電流を減少させることができる。本開示では、抵抗変化型メモリセルを使用して説明するが、本開示の構造及び方法は、導電性ブリッジ式ランダムアクセスメモリデバイスにも適用可能であり、且つ本明細書ではこのような応用を明確に想定している。ここで、添付の図面を参照して、本開示の各態様を詳細に説明する。 According to aspects of the present disclosure, plasma treatment with a fluorine-containing or nitrogen-containing plasma can suppress oxygen deficiency filaments formed by crystal defects introduced during an anisotropic etching process in surface regions of the dielectric metal oxide memory film outside the programming voltage range. A surface passivation layer is formed having an oxygen content less than a central region of the dielectric metal oxide memory film. The surface passivation layer can be oxygen-free or oxygen-containing. The formation of oxygen deficiency filaments in the surface passivation layer is suppressed. The endurance of the memory cell can be enhanced, such as over 100,000 programming and erasing cycles, and the lack of oxygen deficiency filaments in the surface region of the memory film can reduce leakage current through the memory cell. Although described using a resistive memory cell, the structures and methods of the present disclosure are also applicable to conductive bridge random access memory devices, and such applications are expressly contemplated herein. Each aspect of the present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

本開示の第1の実施例による第1の例示的な構造を示す図1を参照する。第1の例示的な構造は、市販のシリコン基板のような半導体基板であってもよい基板8を含む。基板8は、少なくともその上部部分での半導体材料層9を含むことができる。半導体材料層9は、バルク半導体基板の表面セグメントであってもよく、又は、絶縁体上半導体(semiconductor-on-insulator;SOI)基板の頂部半導体層であってもよい。一つの実施例において、半導体材料層9は、単結晶シリコンのような単結晶半導体材料を含む。一つの実施例において、基板8は、単結晶シリコン材料を含む単結晶シリコン基板を含んでもよい。 Referring to FIG. 1, a first exemplary structure according to a first embodiment of the present disclosure is shown. The first exemplary structure includes a substrate 8, which may be a semiconductor substrate, such as a commercially available silicon substrate. The substrate 8 may include a semiconductor material layer 9 at at least a top portion thereof. The semiconductor material layer 9 may be a surface segment of a bulk semiconductor substrate or may be a top semiconductor layer of a semiconductor-on-insulator (SOI) substrate. In one embodiment, the semiconductor material layer 9 includes a single crystal semiconductor material, such as single crystal silicon. In one embodiment, the substrate 8 may include a single crystal silicon substrate, which includes a single crystal silicon material.

酸化ケイ素のような誘電体材料を含む浅溝分離構造720は、半導体材料層9の上部部分に形成することができる。p型ウェル及びn型ウェル等の適切なドープ半導体ウェルは、浅溝分離構造720の一部により横方向に囲まれた各領域内に形成することができる。電界効果トランジスター(70A、701)は、半導体材料層9の上面の上方に形成することができる。電界効果トランジスター(70A、701)は、アクセストランジスター70Aのアレイを含むことができ、アクセストランジスター70Aは、後に形成されるメモリセルの二次元アレイ内の各メモリセルを個別にアクセスするために用いられる。また、電界効果トランジスター(70A、701)は、周辺回路内の周辺電界効果トランジスター701を含むことができる。例えば、周辺電界効果トランジスター701は、後に形成されるビット線にビット線バイアス電圧を印加するためのビット線ドライバ、及び読み出し動作中にビット線を通って流れる電流を検出するためのセンスアンプを含むことができる。 A shallow trench isolation structure 720 including a dielectric material such as silicon oxide may be formed in an upper portion of the semiconductor material layer 9. Appropriately doped semiconductor wells, such as p-type wells and n-type wells, may be formed in each region laterally bounded by a portion of the shallow trench isolation structure 720. Field effect transistors (70A, 701) may be formed above an upper surface of the semiconductor material layer 9. The field effect transistors (70A, 701) may include an array of access transistors 70A, which are used to individually access each memory cell in a two-dimensional array of memory cells to be subsequently formed. The field effect transistors (70A, 701) may also include peripheral field effect transistors 701 in peripheral circuitry. For example, the peripheral field effect transistors 701 may include bit line drivers for applying bit line bias voltages to subsequently formed bit lines, and sense amplifiers for detecting current flowing through the bit lines during a read operation.

例えば、各電界効果トランジスター(70A、701)は、ソース電極732と、ドレイン電極738と、ソース電極732とドレイン電極738との間に延在する基板8の表面セグメントを含む半導体チャネル735と、ゲート構造750とを含んでもよい。半導体チャネル735は、単結晶半導体材料を含んでもよい。各ゲート構造750は、ゲート誘電体層752、ゲート電極754、ゲートキャップ誘電体758、及び誘電体ゲートスペーサ756を含んでもよい。各ソース電極732の上にソース側金属半導体合金領域742が形成されてもよく、各ドレイン電極738の上にドレイン側金属半導体合金領域748が形成されてもよい。 For example, each field effect transistor (70A, 701) may include a source electrode 732, a drain electrode 738, a semiconductor channel 735 including a surface segment of the substrate 8 extending between the source electrode 732 and the drain electrode 738, and a gate structure 750. The semiconductor channel 735 may include a single crystal semiconductor material. Each gate structure 750 may include a gate dielectric layer 752, a gate electrode 754, a gate cap dielectric 758, and a dielectric gate spacer 756. A source side metal semiconductor alloy region 742 may be formed on each source electrode 732, and a drain side metal semiconductor alloy region 748 may be formed on each drain electrode 738.

第1の例示的な構造は、後でメモリセルアレイが形成可能なメモリアレイ領域100を含んでもよい。第1の例示的な構造は、メモリデバイスアレイのための金属配線が提供される周辺領域200を更に含んでもよい。一般に、CMOS回路システム700内のアクセストランジスター70Aは、後で金属相互接続構造の個々が集まって形成される個別のメモリセルの電極に電気的に接続され得る。 The first exemplary structure may include a memory array region 100 in which a memory cell array may later be formed. The first exemplary structure may further include a peripheral region 200 in which metal wiring for the memory device array is provided. In general, the access transistors 70A in the CMOS circuit system 700 may be electrically connected to electrodes of individual memory cells that are later formed with individual metal interconnect structures.

周辺領域200内の装置(例えば、周辺電界効果トランジスター701)は、後で形成されるメモリセルアレイを操作する機能を提供することができる。具体的には、周辺領域内の装置は、メモリセルアレイのプログラム化動作、消去動作、及び感知(読み出し)動作を制御するために使用され得る。例えば、周辺領域内の装置は、感知回路システム及び/又はプログラム化回路システムを含んでもよい。半導体材料層9の上面に形成された装置は、相補型金属酸化物半導体(complementary metal-oxide-semiconductor;CMOS)トランジスター及び選択可能な追加の半導体装置(例えば、抵抗器、ダイオード、コンデンサ等)を含んでもよく、これらは、CMOS回路システム700と総称される。 The devices in the peripheral region 200 (e.g., peripheral field effect transistors 701) can provide functionality for operating a memory cell array that is subsequently formed. In particular, the devices in the peripheral region can be used to control programming, erasing, and sensing (read) operations of the memory cell array. For example, the devices in the peripheral region may include sensing circuitry and/or programming circuitry. The devices formed on the top surface of the semiconductor material layer 9 may include complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) transistors and optional additional semiconductor devices (e.g., resistors, diodes, capacitors, etc.), collectively referred to as the CMOS circuitry system 700.

CMOS回路システム700内の電界効果トランジスター(70A、701)のうちの1つ又は複数は、基板8内の半導体材料層9の一部を含む半導体チャネル735を含むことができる。半導体材料層9は、単結晶シリコンのような単結晶半導体材料を含む場合、CMOS回路システム700内の各電界効果トランジスター(70A、701)の半導体チャネル735は、単結晶シリコンチャネルのような単結晶半導体チャネルを含むことができる。一つの実施例において、CMOS回路システム700内の複数のアクセストランジスター70Aは、後で形成される個別のメモリセルのノードにその後で電気的に接続される個別のノードを含んでもよい。 One or more of the field effect transistors (70A, 701) in the CMOS circuit system 700 may include a semiconductor channel 735 that includes a portion of the semiconductor material layer 9 in the substrate 8. If the semiconductor material layer 9 includes a single crystal semiconductor material, such as single crystal silicon, the semiconductor channel 735 of each field effect transistor (70A, 701) in the CMOS circuit system 700 may include a single crystal semiconductor channel, such as a single crystal silicon channel. In one embodiment, the multiple access transistors 70A in the CMOS circuit system 700 may include individual nodes that are subsequently electrically connected to nodes of individual memory cells that are subsequently formed.

一つの実施例において、基板8は、単結晶シリコン基板を含んでもよく、電界効果トランジスター701は、半導体チャネルとしての単結晶シリコン基板の個別の部分を含んでもよい。本明細書で使用されるように、「半導体」素子とは、1.0×10-6S/cmから1.0×10S/cmの範囲内の導電率を有する素子を指す。本明細書で使用されるように、「半導体材料」とは、ドーパントが存在しない場合に1.0×10-6S/cmから1.0×10S/cm範囲内の導電率を有し、ドーパントが適切にドーピングされる場合に1.0S/cmから1.0×10S/cmの範囲内の導電率を生じ得る材料を指す。 In one embodiment, the substrate 8 may include a single crystal silicon substrate, and the field effect transistor 701 may include a discrete portion of the single crystal silicon substrate as a semiconductor channel. As used herein, a "semiconductor" device refers to a device having a conductivity in the range of 1.0×10 -6 S/cm to 1.0×10 5 S/cm. As used herein, a "semiconductor material" refers to a material that has a conductivity in the range of 1.0×10 -6 S/cm to 1.0×10 5 S/cm in the absence of dopants, and that can produce a conductivity in the range of 1.0 S/cm to 1.0×10 5 S/cm when appropriately doped with dopants.

誘電体材料層内に形成された様々な金属相互接続構造は、後で基板8及びその上の半導体装置(例えば、電界効果トランジスター(70A、701))の上方に形成され得る。例示的な例では、誘電体材料層は、例えば、ソース及びドレインに接続される接触構造を囲む層(接触レベル誘電体材料層601と呼ばれることもある)であってもよい第1の誘電体材料層601と、第1の相互接続レベル誘電体材料層610と、第2の相互接続レベル誘電体材料層620とを含んでもよい。金属相互接続構造は、第1の誘電体材料層601に形成され、CMOS回路システム700の個別の素子に接触する装置接触ビアホール構造612と、第1の相互接続レベル誘電体材料層610に形成された第1の金属配線構造618と、第2の相互接続レベル誘電体材料層620の下部部分に形成された第1の金属ビアホール構造622と、第2の相互接続レベル誘電体材料層620の上部部分に形成された第2の金属配線構造628と、第3の相互接続レベル誘電体材料層630の下部部分に形成された第2の金属ビアホール構造632と、第3の相互接続レベル誘電体材料層630の上部部分に形成された第3の金属配線構造638とを含んでもよい。 Various metal interconnect structures formed within the dielectric material layers may later be formed above the substrate 8 and semiconductor devices thereon (e.g., field effect transistors (70A, 701)). In an illustrative example, the dielectric material layers may include a first dielectric material layer 601, which may be, for example, a layer surrounding contact structures connected to the source and drain (sometimes referred to as contact level dielectric material layer 601), a first interconnect level dielectric material layer 610, and a second interconnect level dielectric material layer 620. The metal interconnect structure may include a device contact via structure 612 formed in the first dielectric material layer 601 and contacting individual elements of the CMOS circuit system 700, a first metal wiring structure 618 formed in the first interconnect level dielectric material layer 610, a first metal via structure 622 formed in a lower portion of the second interconnect level dielectric material layer 620, a second metal wiring structure 628 formed in an upper portion of the second interconnect level dielectric material layer 620, a second metal via structure 632 formed in a lower portion of the third interconnect level dielectric material layer 630, and a third metal wiring structure 638 formed in an upper portion of the third interconnect level dielectric material layer 630.

誘電体材料層(601、610、620、630)の各々は、アンドープケイ酸塩ガラス、ドープケイ酸塩ガラス、有機ケイ酸塩ガラス、非晶質フッ素化炭素、その多孔質変異体、又はこれらの組合せのような誘電体材料を含むことができる。金属相互接続構造(612、618、622、628、632、638)の各々は、金属ライニング(例えば、金属窒化物又は金属炭化物)と金属充填材料との組合せであってもよい少なくとも1つの導電性材料を含むことができる。各金属ライニングは、TiN、TaN、WN、TiC、TaC、及びWCを含むことができ、各金属充填材料部分は、W、Cu、Al、Co、Ru、Mo、Ta、Ti、これらの合金、及び/又はこれらの組合せを含むことができる。開示内容の想定範囲内の他の適切なライニング及び金属充填材料を使用してもよい。一つの実施例において、第1の金属ビアホール構造622及び第2の金属配線構造628は、デュアルダマシンプロセスによって統合された配線及びビアホール構造に形成されてもよい。同様に、第2の金属ビアホール構造632及び第3の金属配線構造638は、デュアルダマシンプロセスによって統合された配線及びビアホール構造に形成されてもよい。本明細書では、誘電体材料層(601、610、620、630)は、下部-下部レベル誘電体材料層と呼ばれる。下部-下部レベル誘電体材料層に形成された金属相互接続構造(612、618、622、628、632、638)は、下部レベル金属相互接続構造と呼ばれる。 Each of the dielectric material layers (601, 610, 620, 630) may include a dielectric material such as undoped silicate glass, doped silicate glass, organosilicate glass, amorphous fluorinated carbon, porous variants thereof, or combinations thereof. Each of the metal interconnect structures (612, 618, 622, 628, 632, 638) may include at least one conductive material that may be a combination of a metal lining (e.g., a metal nitride or a metal carbide) and a metal fill material. Each metal lining may include TiN, TaN, WN, TiC, TaC, and WC, and each metal fill material portion may include W, Cu, Al, Co, Ru, Mo, Ta, Ti, alloys thereof, and/or combinations thereof. Other suitable linings and metal fill materials may be used within the contemplation of the disclosure. In one embodiment, the first metal via structure 622 and the second metal wiring structure 628 may be formed into an integrated wiring and via structure by a dual damascene process. Similarly, the second metal via structure 632 and the third metal wiring structure 638 may be formed into an integrated wiring and via structure by a dual damascene process. In this specification, the dielectric material layers (601, 610, 620, 630) are referred to as lower-lower level dielectric material layers. The metal interconnect structures (612, 618, 622, 628, 632, 638) formed in the lower-lower level dielectric material layers are referred to as lower level metal interconnect structures.

本開示では、メモリセルアレイが第3の配線-ビアホールレベル誘電体材料層630の上方に形成され得る実施例を用いて説明するが、メモリセルアレイが異なる金属相互接続レベルに形成され得る実施例を本明細書において明確に想定する。 Although this disclosure describes embodiments in which the memory cell array may be formed above the third wiring-via level dielectric material layer 630, embodiments in which the memory cell array may be formed at a different metal interconnect level are expressly contemplated herein.

一つの実施例において、均一な厚さを有する平面誘電体材料層を下部レベル誘電体材料層(601、610、620、630)の上方に形成してもよい。本明細書では、平面誘電体材料層は、下部ビアホールレベル誘電体層645と呼ばれる。下部ビアホールレベル誘電体層645は誘電体材料を含む。一つの実施例において、下部ビアホールレベル誘電体層645は、超低誘電率(extremely low-k;ELK)誘電体材料を含んでもよい。一つの実施例において、下部ビアホールレベル誘電体層645は、アンドープケイ酸塩ガラス、ドープケイ酸塩ガラス、有機ケイ素ガラス、多孔質誘電体材料、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸炭化ケイ素、炭化窒化ケイ素から選ばれる少なくとも1つの誘電体材料を含み、及び/又は実質的にそれらからなる。下部ビアホールレベル誘電体層645は、例えば化学気相堆積によって堆積してもよい。下部ビアホールレベル誘電体層645の厚さは、20nmから300nmの範囲内であってもよいが、それよりも小さい又は大きい厚さを使用してもよい。 In one embodiment, a planar dielectric material layer having a uniform thickness may be formed above the lower level dielectric material layer (601, 610, 620, 630). The planar dielectric material layer is referred to herein as the lower via hole level dielectric layer 645. The lower via hole level dielectric layer 645 comprises a dielectric material. In one embodiment, the lower via hole level dielectric layer 645 may comprise an extremely low-k (ELK) dielectric material. In one embodiment, the lower via hole level dielectric layer 645 comprises and/or consists essentially of at least one dielectric material selected from undoped silicate glass, doped silicate glass, organo-silicon glass, porous dielectric material, silicon nitride, silicon oxynitride, silicon carbide, silicon oxycarbide, and silicon carbonitride. The lower via hole level dielectric layer 645 may be deposited, for example, by chemical vapor deposition. The thickness of the lower via hole level dielectric layer 645 may be in the range of 20 nm to 300 nm, although smaller or larger thicknesses may be used.

一般に、相互接続レベル誘電体層(例えば、下部レベル誘電体材料層(601、610、620、630))内に埋め込まれた金属相互接続構造(本明細書では下部レベル金属相互接続構造(612、618、622、628、632、638)と呼ばれる)は、半導体装置の上方に形成され得る。下部ビアホールレベル誘電体層645は、相互接続レベル誘電体層の上方に形成され得る。 In general, metal interconnect structures (referred to herein as lower level metal interconnect structures (612, 618, 622, 628, 632, 638)) embedded within an interconnect level dielectric layer (e.g., lower level dielectric material layer (601, 610, 620, 630)) may be formed above the semiconductor device. A lower via level dielectric layer 645 may be formed above the interconnect level dielectric layer.

図2Aから図2Cを参照し、下部ビアホールレベル誘電体層645の上方にフォトレジスト層(図示せず)をかけることができ、開口の二次元アレイを形成するようにリソグラフィーパターン化を行うことができる。開口の二次元アレイは、第1の水平方向hd1に沿った第1のピッチを有してもよく、第2の水平方向hd2に沿った第2のピッチを有し得る。フォトレジスト層内の開口の各々は、円形、卵形、楕円形、長方形、丸角長方形、又は閉じた周辺を有する任意の他の二次元曲線状の水平断面形状を有してもよい。下部ビアホールレベル誘電体層645を介してフォトレジスト層内の開口のパターンを転写するために異方性エッチングプロセスを実行することができる。個別の下部レベル金属相互接続構造の上面(例えば、図示した実例における個別の第3の金属配線構造638の上面)は、下部ビアホールレベル誘電体層645を介して各開口の底部に実体的に露出することができる。その後、フォトレジスト層は、例えば、アッシングによって除去することができる。 2A-2C, a photoresist layer (not shown) can be applied over the lower via hole level dielectric layer 645 and lithographically patterned to form a two-dimensional array of openings. The two-dimensional array of openings can have a first pitch along a first horizontal direction hd1 and a second pitch along a second horizontal direction hd2. Each of the openings in the photoresist layer can have a circular, oval, elliptical, rectangular, rounded rectangular, or any other two-dimensional curvilinear horizontal cross-sectional shape with a closed perimeter. An anisotropic etching process can be performed to transfer the pattern of openings in the photoresist layer through the lower via hole level dielectric layer 645. The top surfaces of the individual lower level metal interconnect structures (e.g., the top surfaces of the individual third metal wiring structures 638 in the illustrated example) can be substantially exposed at the bottom of each opening through the lower via hole level dielectric layer 645. The photoresist layer can then be removed, for example, by ashing.

開口の二次元アレイは、少なくとも1つの金属充填材料によって充填されてもよい。一つの実施例において、少なくとも1つの金属充填材料は、金属バリア材料を含む金属ライニング層と、金属充填材料を含む金属充填材料層との組合せを含んでもよい。金属ライニング層は、TiN、TaN、WN、TiC、TaC、WC、又はその積み重ねのような金属バリア材料を含んでもよく、物理気相堆積又は化学気相堆積によって堆積してもよい。金属ライニング層の厚さは、1nmから30nmの範囲内であってもよいが、それよりも小さい又は大きい厚さを使用してもよい。金属充填材料層は、W、Cu、Al、Co、Ru、Mo、Ta、Ti、これらの合金、及び/又はこれらの組合せを含むことができる。化学機械研磨(chemical mechanical polishing;CMP)プロセスのような平坦化プロセスを実行して、金属ライニング層、及び金属充填材料層の、下部ビアホールレベル誘電体層645の上面を含む水平面で被覆される部分を除去することができる。 The two-dimensional array of openings may be filled with at least one metal fill material. In one embodiment, the at least one metal fill material may include a combination of a metal lining layer including a metal barrier material and a metal fill material layer including a metal fill material. The metal lining layer may include a metal barrier material such as TiN, TaN, WN, TiC, TaC, WC, or stacks thereof, and may be deposited by physical vapor deposition or chemical vapor deposition. The thickness of the metal lining layer may be in the range of 1 nm to 30 nm, although smaller or larger thicknesses may be used. The metal fill material layer may include W, Cu, Al, Co, Ru, Mo, Ta, Ti, alloys thereof, and/or combinations thereof. A planarization process, such as a chemical mechanical polishing (CMP) process, may be performed to remove the metal lining layer and portions of the metal fill material layer that are covered by horizontal surfaces, including the top surface of the lower via hole level dielectric layer 645.

少なくとも1つの金属材料のそれぞれの残りの部分は、個別の下部レベル金属相互接続構造(例えば、図示した実例における個別の第3の金属配線構造638の上面)と電気的に接触する底部接続ビアホール構造15を含む。底部接続ビアホール構造15の二次元アレイは、下部ビアホールレベル誘電体層645内に形成され得る。一般に、各底部接続ビアホール構造15の水平断面形状は、閉じた周辺を有する任意の二次元形状としてもよい。例えば、底部接続ビアホール構造15の水平断面形状は、円形、卵形、楕円形、長方形、丸角長方形、又は閉じた周辺を有する任意の二次元曲線形状であってもよい。その他の形状も開示内容の想定範囲内である。底部接続ビアホール構造15の上面は、下部ビアホールレベル誘電体層645の上面と同一平面になってもよい。底部接続ビアホール構造15の第1の水平方向hd1に沿った周期性は、第1のピッチp1であってもよい。底部接続ビアホール構造15の第2の水平方向hd2に沿った周期性は、本明細書では第2のピッチp2と呼ばれる。 Each remaining portion of the at least one metal material includes a bottom connection via hole structure 15 that is in electrical contact with a respective lower level metal interconnect structure (e.g., the top surface of the respective third metal wiring structure 638 in the illustrated example). A two-dimensional array of bottom connection via hole structures 15 may be formed in the lower via hole level dielectric layer 645. In general, the horizontal cross-sectional shape of each bottom connection via hole structure 15 may be any two-dimensional shape having a closed perimeter. For example, the horizontal cross-sectional shape of the bottom connection via hole structure 15 may be a circle, an oval, an ellipse, a rectangle, a round-cornered rectangle, or any two-dimensional curved shape having a closed perimeter. Other shapes are contemplated within the scope of the disclosure. The top surface of the bottom connection via hole structure 15 may be flush with the top surface of the lower via hole level dielectric layer 645. The periodicity of the bottom connection via hole structures 15 along a first horizontal direction hd1 may be a first pitch p1. The periodicity of the bottom connection via hole structures 15 along the second horizontal direction hd2 is referred to herein as the second pitch p2.

図3を参照し、下部ビアホールレベル誘電体層645の上方にエッチング・ストップ誘電体材料層18を形成することができる。エッチング・ストップ誘電体材料層18は、後にメモリセルをパターン化するための異方性エッチングプロセスのエッチング・ストップ構造として使用可能な誘電体材料を含む。一つの実施例において、エッチング・ストップ誘電体材料層18は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、又は炭化窒化ケイ素のような材料を含み、及び/又は実質的にそれらからなる。一つの実施例において、エッチング・ストップ誘電体材料層18は、炭化ケイ素を含み、及び/又は実質的にそれからなる。エッチング・ストップ誘電体材料層18の厚さは、6nmから30nm等の3nmから60nmの範囲内であってもよいが、それよりも小さい又は大きい厚さを使用してもよい。エッチング・ストップ誘電体材料層18は、例えば、化学気相堆積によって形成されてもよい。一般に、エッチング・ストップ誘電体材料層18は金属相互接続構造(612、618、622、628、632、638、15)の上方にある。 3, an etch stop dielectric material layer 18 may be formed above the lower via hole level dielectric layer 645. The etch stop dielectric material layer 18 includes a dielectric material that can be used as an etch stop structure for an anisotropic etching process to subsequently pattern the memory cells. In one embodiment, the etch stop dielectric material layer 18 includes and/or consists essentially of a material such as silicon carbide, silicon nitride, or silicon carbonitride. In one embodiment, the etch stop dielectric material layer 18 includes and/or consists essentially of silicon carbide. The thickness of the etch stop dielectric material layer 18 may be in the range of 3 nm to 60 nm, such as 6 nm to 30 nm, although lesser or greater thicknesses may be used. The etch stop dielectric material layer 18 may be formed, for example, by chemical vapor deposition. Typically, the etch stop dielectric material layer 18 is above the metal interconnect structures (612, 618, 622, 628, 632, 638, 15).

エッチング・ストップ誘電体材料層18の上方には、フォトレジスト層19をかけることができ、その中に開口の周期的二次元アレイを形成するようにリソグラフィーパターン化を実行することができる。フォトレジスト層19内の各開口は、下に底部接続ビアホール構造15の上面がある個別の領域内に形成されてよい。開口の周期的二次元アレイは、底部接続ビアホール構造15の二次元アレイと同じ周期性を有し得る。 Above the etch-stop dielectric material layer 18, a photoresist layer 19 may be applied and lithographically patterned to form a periodic two-dimensional array of openings therein. Each opening in the photoresist layer 19 may be formed in a distinct area below the top surface of the bottom connection via hole structure 15. The periodic two-dimensional array of openings may have the same periodicity as the two-dimensional array of bottom connection via hole structures 15.

図4を参照し、エッチング・ストップ誘電体材料層18を介してフォトレジスト層19内の開口のパターンを転写するために異方性エッチングプロセスを実行することができる。エッチング・ストップ誘電体材料層18を介して開口の二次元アレイを形成することができる。その後、フォトレジスト層19は、例えば、アッシングによって除去することができる。底部接続ビアホール構造15の上面は、エッチング・ストップ誘電体材料層18によって各開口の底部に実体的に露出させることができる。 Referring to FIG. 4, an anisotropic etching process can be performed to transfer the pattern of openings in the photoresist layer 19 through the etch-stop dielectric material layer 18. A two-dimensional array of openings can be formed through the etch-stop dielectric material layer 18. The photoresist layer 19 can then be removed, for example, by ashing. The top surface of the bottom connection via hole structure 15 can be substantially exposed at the bottom of each opening by the etch-stop dielectric material layer 18.

その後、エッチング・ストップ誘電体材料層18及び底部接続ビアホール構造15の実体露出表面の上方には、材料層の層積み重ねを堆積することができる。本開示の態様によると、層積み重ねは、下から上に向かって、少なくとも1つの選択的な底部金属バリア層22L、第1の電極層24L、メモリ材料層26L、第2の電極層28L、少なくとも1つの選択的な頂部金属バリア層29L、及びハードシールド層30Lを含むことができる。全体として、少なくとも1つの選択的な底部金属バリア層22L、第1の電極層24L、メモリ材料層26L、第2の電極層28L、少なくとも1つの選択的な頂部金属バリア層29Lを含む層積み重ねは、メモリセル積み重ね20Lを示すことができる。 A layer stack of material layers can then be deposited above the etch stop dielectric material layer 18 and the exposed surface of the bottom connection via hole structure 15. According to aspects of the present disclosure, the layer stack can include, from bottom to top, at least one optional bottom metal barrier layer 22L, a first electrode layer 24L, a memory material layer 26L, a second electrode layer 28L, at least one optional top metal barrier layer 29L, and a hard shield layer 30L. In total, the layer stack including at least one optional bottom metal barrier layer 22L, a first electrode layer 24L, a memory material layer 26L, a second electrode layer 28L, and at least one optional top metal barrier layer 29L can represent a memory cell stack 20L.

少なくとも1つの選択的な底部金属バリア層22Lは、窒化チタン、窒化タンタラム、窒化タングステン、窒化モリブデン、チタン、タンタラム、及び/又はタングステンのような少なくとも1つの金属バリア材料を含む。例示的な例において、少なくとも1つの選択的な底部金属バリア層22Lは、下から上に向かって、第1の底部金属バリア層221L、第2の底部金属バリア層222L、及び第3の底部金属バリア層223Lを含む層積み重ねを含んでもよい。例示的な例において、第1の底部金属バリア層221Lは、窒化チタンを含んでもよく、第2の底部金属バリア層222Lは、タンタラムを含んでもよく、第3の底部金属バリア層223Lは、窒化タンタラムを含んでもよい。少なくとも1つの底部金属バリア層22Lの合計厚さは、6nmから30nm等の3nmから60nmの範囲内であってもよいが、それよりも小さい又は大きい厚さを使用してもよい。少なくとも1つの底部金属バリア層22Lの各々は、物理気相堆積又は化学気相堆積によって堆積することができる。 The at least one selective bottom metal barrier layer 22L includes at least one metal barrier material, such as titanium nitride, tantalum nitride, tungsten nitride, molybdenum nitride, titanium, tantalum, and/or tungsten. In an illustrative example, the at least one selective bottom metal barrier layer 22L may include a layer stack including, from bottom to top, a first bottom metal barrier layer 221L, a second bottom metal barrier layer 222L, and a third bottom metal barrier layer 223L. In an illustrative example, the first bottom metal barrier layer 221L may include titanium nitride, the second bottom metal barrier layer 222L may include tantalum, and the third bottom metal barrier layer 223L may include tantalum nitride. The total thickness of the at least one bottom metal barrier layer 22L may be in the range of 3 nm to 60 nm, such as 6 nm to 30 nm, although smaller or larger thicknesses may be used. Each of the at least one bottom metal barrier layer 22L can be deposited by physical vapor deposition or chemical vapor deposition.

第1の電極層24L(底部電極層とも呼ばれる)は、窒化チタン、タンタラム、タングステン、プラチナ、ルテニウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、レニウム、オスミウム、又は1500セルシウス度より大きい溶融温度を有する他の元素金属のような金属材料を含む。第1の電極層24Lの厚さは、6nmから30nm等の3nmから60nmの範囲内であってもよいが、それよりも小さい又は大きい厚さを使用してもよい。第1の電極層24Lは、物理気相堆積又は化学気相堆積によって堆積することができる。 The first electrode layer 24L (also referred to as the bottom electrode layer) comprises a metallic material such as titanium nitride, tantalum, tungsten, platinum, ruthenium, iridium, molybdenum, niobium, rhenium, osmium, or other elemental metals having a melting temperature greater than 1500 degrees Celsius. The thickness of the first electrode layer 24L may be in the range of 3 nm to 60 nm, such as 6 nm to 30 nm, although lesser or greater thicknesses may be used. The first electrode layer 24L may be deposited by physical vapor deposition or chemical vapor deposition.

メモリ材料層26Lは、少なくとも1つの誘電体金属酸化層(261L、262L)を含む。本開示の態様によると、少なくとも1つの誘電体金属酸化層(261L、262L)の各々は、少なくとも1つの糸状誘電体金属酸化物材料を含み、及び/又は実質的にそれからなる。本明細書で使用されるように、糸状誘電体金属酸化物材料とは、電気バイアスを印加する時に酸素欠乏領域糸状体(即ち、酸素欠乏糸状体)を形成可能な誘電体金属酸化物材料を指し、電気バイアスにより生じた電界は、個別の臨界電界の強度よりも大きい値を有する。一つの実施例において、少なくとも1つの誘電体金属酸化層(261L、262L)における少なくとも1つの糸状誘電体金属酸化物材料の各々は、非化学量論的酸素欠乏誘電体金属酸化物材料である。 The memory material layer 26L includes at least one dielectric metal oxide layer (261L, 262L). According to aspects of the present disclosure, each of the at least one dielectric metal oxide layer (261L, 262L) includes and/or consists essentially of at least one filamentary dielectric metal oxide material. As used herein, a filamentary dielectric metal oxide material refers to a dielectric metal oxide material capable of forming an oxygen-deficient filament (i.e., an oxygen-deficient filament) upon application of an electrical bias, where the electric field produced by the electrical bias has a value greater than the strength of the respective critical electric field. In one embodiment, each of the at least one filamentary dielectric metal oxide material in the at least one dielectric metal oxide layer (261L, 262L) is a non-stoichiometric oxygen-deficient dielectric metal oxide material.

例示的な例において、少なくとも1つの誘電体金属酸化層(261L、262L)は、第1の誘電体金属酸化層261Lと第2の誘電体金属酸化層262Lとの層積み重ねを含んでもよい。第1の誘電体金属酸化層261Lは、少なくとも1つの第1の金属の誘電体金属酸化物を含む第1の誘電体金属酸化物材料を含み、及び/又は実質的にそれからなる。第2の誘電体金属酸化層262Lは、少なくとも1つの第2の金属の誘電体金属酸化物を含む第2の誘電体金属酸化物材料を含み、及び/又は実質的にそれからなる。第2の誘電体金属酸化物材料は、第1の誘電体金属酸化物材料と材料組成が異なってもよい。一つの実施例において、少なくとも1つの第2の金属は、少なくとも1つの第1の金属に存在しない金属元素が存在すること、又は少なくとも1つの第1の金属に存在する金属元素が存在しないことによって、少なくとも1つの第1の金属と異なる。 In an illustrative example, the at least one dielectric metal oxide layer (261L, 262L) may include a layer stack of a first dielectric metal oxide layer 261L and a second dielectric metal oxide layer 262L. The first dielectric metal oxide layer 261L includes and/or consists essentially of a first dielectric metal oxide material including a dielectric metal oxide of at least one first metal. The second dielectric metal oxide layer 262L includes and/or consists essentially of a second dielectric metal oxide material including a dielectric metal oxide of at least one second metal. The second dielectric metal oxide material may differ in material composition from the first dielectric metal oxide material. In one embodiment, the at least one second metal differs from the at least one first metal by the presence of a metal element not present in the at least one first metal or the absence of a metal element present in the at least one first metal.

一つの実施例において、少なくとも1つの誘電体金属酸化層(261L、262L)における誘電体金属酸化物材料のうちの1つ、複数、及び/又は各々は、個別の糸状金属酸化物材料を含んでもよく、及び/又はそれより構成されてもよく、糸状金属酸化物材料は、二元酸化物材料であり、即ち、単一金属元素と酸素との化合物である。例えば、少なくとも1つの誘電体金属酸化層(261L、262L)のうちの1つ、複数、及び/又は各々は、HfO2(1-α)、Ta5(1-β)、及びY3(1-γ)から選ばれる材料を含んでもよく、及び/又はそれより構成されてもよい。この実施例において、α、β、及びγは、それぞれ独立して1.0×10-6から1.0×10-1の範囲内であってもよい。 In one embodiment, one, more, and/or each of the dielectric metal oxide materials in the at least one dielectric metal oxide layer (261L, 262L) may include and/or consist of individual threadlike metal oxide materials, which are binary oxide materials, i.e., compounds of a single metal element and oxygen. For example, one, more, and/or each of the at least one dielectric metal oxide layer (261L, 262L) may include and/or consist of a material selected from HfO2(1-α) , Ta2O5 (1-β) , and Y2O3 (1-γ) . In this embodiment, α, β, and γ may each independently be in the range of 1.0× 10-6 to 1.0× 10-1 .

一つの実施例において、少なくとも1つの誘電体金属酸化層(261L、262L)における誘電体金属酸化物材料のうちの1つ、複数、及び/又は各々は、個別の糸状金属酸化物材料を含んでもよく、及び/又はそれより構成されてもよく、糸状金属酸化物材料は、三元酸化物材料であり、即ち、2つの金属元素と酸との化合物である。このような三元糸状金属酸化物材料の非限定的な例として、ケイ酸ハフニウム(HfSiO)、ジルコン酸ハフニウム(HfZrO)、チタン酸バリウム(BaTiO)、チタン酸鉛(PbTiO)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、マンガン酸カリウム(CaMnO)、鉄酸ビスマス(BiFeO)、ドープHfO(Si、Zr、Y、Al、Gd、Sr、La、Sc、Ge等から選ばれるドーパントを含む)、及びHfO2(1-α)と、Ta5(1-β)と、Y3(1-γ)との合金を含む。 In one embodiment, one, more than one, and/or each of the dielectric metal oxide materials in at least one dielectric metal oxide layer (261L, 262L) may include and/or consist of individual thread-like metal oxide materials, which are ternary oxide materials, i.e., compounds of two metal elements and an acid. Non-limiting examples of such ternary filamentous metal oxide materials include hafnium silicate (HfSiO x ), hafnium zirconate (HfZrO x ), barium titanate (BaTiO 3 ), lead titanate (PbTiO 3 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), potassium manganate (CaMnO 3 ), bismuth ferrate (BiFeO 3 ), doped HfO 2 (containing dopants selected from Si, Zr, Y, Al, Gd, Sr, La, Sc, Ge, etc.), and alloys of HfO 2 (1-α) , Ta 2 O 5 (1-β) , and Y 2 O 3 (1-γ) .

一つの実施例において、少なくとも1つの誘電体金属酸化層(261L、262L)における誘電体金属酸化物材料のうちの複数、及び/又は各々は、個別の糸状金属酸化物材料を含んでもよく、及び/又はそれより構成されてもよく、糸状金属酸化物材料は、四元酸化物材料であり、即ち、3つの金属元素と酸素との化合物である。このような糸状金属四元酸化物材料の非限定的な例として、ジルコニウムチタン酸鉛(PZT:PbZrTi)、チタン酸バリウムストロンチウム(BaSrTiO)、タンタラム酸ストロンチウムビスマス(SBT:SrBiTa)、及び上記に挙げられた二元糸状金属酸化物材料及び/又は三元糸状金属酸化物材料の合金を含む。 In one embodiment, multiple and/or each of the dielectric metal oxide materials in at least one dielectric metal oxide layer (261L, 262L) may include and/or consist of individual threadlike metal oxide materials, which are quaternary oxide materials, i.e., compounds of three metal elements and oxygen . Non-limiting examples of such threadlike metal quaternary oxide materials include lead zirconium titanate (PZT: PbZrxTiyOz), barium strontium titanate (BaSrTiOx), strontium bismuth tantalate (SBT: SrBi2Ta2O9 ) , and alloys of the binary and/or ternary threadlike metal oxide materials listed above.

一般に、この処理工程において形成された少なくとも1つの誘電体金属酸化層(261L、262L)は、フッ素原子及び窒素原子を含まなくてもよく、及び/又は微量のフッ素原子又は窒素原子(例えば、原子濃度が0.1百万分点未満)のみを含んでもよい。少なくとも1つの誘電体金属酸化層(261L、262L)は、物理気相堆積又は化学気相堆積のような当技術分野で知られている任意の適切な堆積プロセスによって形成されてもよい。メモリ材料層26Lの厚さは、6nmから30nm等の4nmから60nmの範囲内であってもよいが、それよりも小さい又は大きい厚さを使用してもよい。メモリ材料層は、第1の誘電体金属酸化層261Lと第2の誘電体金属酸化層262Lとの層積み重ねのような、複数の誘電体金属酸化層の層積み重ねを含む実施例において、各誘電体酸化層(261L又は262L)の厚さは、1nmから50nmの範囲内であってもよく、それよりも小さい又は大きい厚さを使用してもよい。 In general, the at least one dielectric metal oxide layer (261L, 262L) formed in this process step may be free of fluorine and nitrogen atoms and/or may contain only trace amounts of fluorine or nitrogen atoms (e.g., atomic concentrations less than 0.1 parts per million). The at least one dielectric metal oxide layer (261L, 262L) may be formed by any suitable deposition process known in the art, such as physical vapor deposition or chemical vapor deposition. The thickness of the memory material layer 26L may be in the range of 4 nm to 60 nm, such as 6 nm to 30 nm, although smaller or larger thicknesses may be used. In embodiments where the memory material layer includes a layer stack of multiple dielectric metal oxide layers, such as a layer stack of a first dielectric metal oxide layer 261L and a second dielectric metal oxide layer 262L, the thickness of each dielectric oxide layer (261L or 262L) may be in the range of 1 nm to 50 nm, although smaller or larger thicknesses may be used.

第2の電極層28L(頂部電極層とも呼ばれる)は、窒化チタン、タンタラム、タングステン、プラチナ、ルテニウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、レニウム、オスミウム、又は1500セルシウス度より大きい溶融温度を有する他の元素金属のような金属材料を含む。第2の電極層28Lの厚さは、6nmから30nm等の3nmから60nmの範囲内であってもよいが、それよりも小さい又は大きい厚さを使用してもよい。第2の電極層28Lは、物理気相堆積又は化学気相堆積によって堆積することができる。 The second electrode layer 28L (also referred to as the top electrode layer) comprises a metallic material such as titanium nitride, tantalum, tungsten, platinum, ruthenium, iridium, molybdenum, niobium, rhenium, osmium, or other elemental metals having a melting temperature greater than 1500 degrees Celsius. The thickness of the second electrode layer 28L may be in the range of 3 nm to 60 nm, such as 6 nm to 30 nm, although lesser or greater thicknesses may be used. The second electrode layer 28L may be deposited by physical vapor deposition or chemical vapor deposition.

少なくとも1つの選択的な頂部金属バリア層29Lは、窒化チタン、窒化タンタラム、窒化タングステン、窒化モリブデン、チタン、タンタラム、及び/又はタングステンのような少なくとも1つの金属バリア材料を含む。例示的な例において、少なくとも1つの選択的な頂部金属バリア層29Lは、層積み重ねを含んでもよく、下から上に向かって、第1の頂部金属バリア層291L及び第2の頂部金属バリア層292Lを含む。例示的な例において、第1の頂部金属バリア層291Lは、窒化チタンを含んでもよく、第2の頂部金属バリア層292Lは、窒化タンタラムを含んでもよい。少なくとも1つの頂部金属バリア層29Lの合計厚さは、6nmから30nm等の3nmから60nmの範囲内であってもよいが、それよりも小さい又は大きい厚さを使用してもよい。少なくとも1つの頂部金属バリア層29Lの各々は、物理気相堆積又は化学気相堆積によって堆積することができる。 The at least one selective top metal barrier layer 29L includes at least one metal barrier material, such as titanium nitride, tantalum nitride, tungsten nitride, molybdenum nitride, titanium, tantalum, and/or tungsten. In an illustrative example, the at least one selective top metal barrier layer 29L may include a layer stack, including, from bottom to top, a first top metal barrier layer 291L and a second top metal barrier layer 292L. In an illustrative example, the first top metal barrier layer 291L may include titanium nitride and the second top metal barrier layer 292L may include tantalum nitride. The total thickness of the at least one top metal barrier layer 29L may be in the range of 3 nm to 60 nm, such as 6 nm to 30 nm, although lesser or greater thicknesses may be used. Each of the at least one top metal barrier layer 29L may be deposited by physical vapor deposition or chemical vapor deposition.

少なくとも1つの選択的な頂部金属バリア層29Lの上方には、ハードシールド層30Lを堆積することができる。ハードシールド層30Lは、後で異方性エッチングプロセスの間に下の材料を保護可能な材料を含む。ハードシールド層30Lは、窒化チタンのような金属材料を含んでもよく、又は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、及び/又は誘電体金属酸化物(例えば、酸化チタン及び酸化アルミニウムであるが、それらに限定されない)のような誘電体材料を含んでもよい。ハードシールド層30Lの厚さは、30nmから100nm等の20nmから200nmの範囲内であってもよいが、それよりも小さい又は大きい厚さを使用してもよい。ハードシールド層30Lは、化学気相堆積又は物理気相堆積によって堆積することができる。 A hard shield layer 30L may be deposited above the at least one selective top metal barrier layer 29L. The hard shield layer 30L includes a material capable of protecting the underlying material during a subsequent anisotropic etching process. The hard shield layer 30L may include a metallic material such as titanium nitride, or may include a dielectric material such as silicon oxide, silicon nitride, silicon carbonitride, silicon oxynitride, and/or a dielectric metal oxide (e.g., but not limited to, titanium oxide and aluminum oxide). The thickness of the hard shield layer 30L may be in the range of 20 nm to 200 nm, such as 30 nm to 100 nm, although smaller or larger thicknesses may be used. The hard shield layer 30L may be deposited by chemical vapor deposition or physical vapor deposition.

層積み重ね(即ち22L、24L、26L、28L、29L、30L)内の各層のうちの1つ、複数、及び/又は各々は、エッチング・ストップ誘電体材料層18内の各開口の周りに凸面セグメントを提供するコンフォーマルプロファイルを形成することができる。 One, more than one, and/or each of the layers in the layer stack (i.e., 22L, 24L, 26L, 28L, 29L, 30L) may form a conformal profile that provides a convex segment around each opening in the etch-stop dielectric material layer 18.

図5を参照し、ハードシールド層30Lの上方には、フォトレジスト層をかけることができ、パターン化フォトレジスト層37を形成するようにリソグラフィーパターン化を行うことができる。パターン化フォトレジスト層37は、底部接続ビアホール構造15内の個別のもので被覆される離散的なフォトレジスト材料部分の二次元周期的アレイを含むことができる。そのため、離散的なフォトレジスト材料部分の二次元周期的アレイは、底部接続ビアホール構造15の二次元アレイと同じ二次元周期性を有し得る。離散的なフォトレジスト材料部分の各々は、面積がエッチング・ストップ誘電体材料層18内の個別の下張り開口と重なり合うことができる。一つの実施例において、離散的なフォトレジスト材料部分内の各々は、平面図(即ち、上から下へ見る図)においてエッチング・ストップ誘電体材料層18における下にある開口の周辺の横方向に対して外側にオフセットされた周辺を有し得る。 Referring to FIG. 5, above the hard shield layer 30L, a photoresist layer can be applied and lithographically patterned to form a patterned photoresist layer 37. The patterned photoresist layer 37 can include a two-dimensional periodic array of discrete photoresist material portions that are covered by individual ones of the bottom connection via hole structures 15. Thus, the two-dimensional periodic array of discrete photoresist material portions can have the same two-dimensional periodicity as the two-dimensional array of bottom connection via hole structures 15. Each of the discrete photoresist material portions can overlap in area with a respective underlying opening in the etch stop dielectric material layer 18. In one embodiment, each of the discrete photoresist material portions can have a perimeter that is laterally offset outwardly relative to the perimeter of the underlying opening in the etch stop dielectric material layer 18 in a plan view (i.e., a top-down view).

図6A及び図6Bを参照し、パターン化フォトレジスト層37の離散的なフォトレジスト材料部分の二次元アレイのパターンは、第1の異方性エッチングプロセスを実行することによって、ハードシールド層30Lを介して転写することができる。ハードシールド層30Lは、第1の異方性エッチングプロセスによってハードシールドキャップ30の二次元アレイとしてパターン化され得る。その後、パターン化フォトレジスト層37は、例えば、アッシングによって除去することができる。或いは、パターン化フォトレジスト層37は、第1の異方性エッチングプロセスの間に並行して消耗されてもよい。或いは、パターン化フォトレジスト層37の第1の部分は、第1の異方性エッチングプロセスの間に並行して消耗されてもよく、パターン化フォトレジスト層37の残りの部分は、その後で第2の異方性エッチングプロセスの間に除去されてもよい。 6A and 6B, the pattern of the two-dimensional array of discrete photoresist material portions of the patterned photoresist layer 37 can be transferred through the hard shield layer 30L by performing a first anisotropic etching process. The hard shield layer 30L can be patterned as a two-dimensional array of hard shield caps 30 by the first anisotropic etching process. The patterned photoresist layer 37 can then be removed, for example, by ashing. Alternatively, the patterned photoresist layer 37 can be consumed in parallel during the first anisotropic etching process. Alternatively, the first portion of the patterned photoresist layer 37 can be consumed in parallel during the first anisotropic etching process, and the remaining portion of the patterned photoresist layer 37 can be subsequently removed during a second anisotropic etching process.

ハードシールドキャップ30の二次元アレイ内のパターンを、少なくとも1つの選択的な頂部金属バリア層29L、第2の電極層28L、メモリ材料層26L、第1の電極層24L、及び少なくとも1つの選択的な底部金属バリア層22Lを介して転写するために第2の異方性エッチングプロセスを実行することができる。少なくとも1つの選択的な頂部金属バリア層29L(使用する場合)の各パターン化部は、少なくとも1つの選択的な頂部金属バリア板29を含む。第2の電極層28Lの各パターン化部は、第2の電極28を含む。メモリ材料層26L内の各パターン化部は、メモリ膜26を含む。第1の電極層24Lの各パターン化部は、第1の電極24を含む。少なくとも1つの選択的な頂部金属バリア層29L(使用する場合)の各パターン化部は、少なくとも1つの選択的な底部金属バリア板22を含む。 A second anisotropic etching process can be performed to transfer the pattern in the two-dimensional array of hard shield caps 30 through at least one selective top metal barrier layer 29L, second electrode layer 28L, memory material layer 26L, first electrode layer 24L, and at least one selective bottom metal barrier layer 22L. Each patterned portion of the at least one selective top metal barrier layer 29L (if used) includes at least one selective top metal barrier plate 29. Each patterned portion of the second electrode layer 28L includes a second electrode 28. Each patterned portion in the memory material layer 26L includes a memory film 26. Each patterned portion of the first electrode layer 24L includes a first electrode 24. Each patterned portion of the at least one selective top metal barrier layer 29L (if used) includes at least one selective bottom metal barrier plate 22.

一つの実施例において、選択的な底部金属バリア板22は、第1の底部金属バリア板221(第1の底部金属バリア層221Lのパターン化部)と、第2の底部金属バリア板222(第2の底部金属バリア層222Lのパターン化部)と、第3の底部金属バリア板223(第3の底部金属バリア層223Lのパターン化部)との積み重ねを含んでもよい。メモリ膜26は、少なくとも1つの誘電体金属酸化層を含み、酸素欠乏糸状誘電体金属酸化物材料を含む。例えば、メモリ膜26は、第1の誘電体金属酸化層261(図4の処理工程で形成される第1の誘電体金属酸化層261Lのパターン化部)と第2の誘電体金属酸化層262(図4の処理工程で形成される第2の誘電体金属酸化層262Lのパターン化部)とを含む層積み重ねを含んでもよい。一つの実施例において、選択的な頂部金属バリア板29は、第1の頂部金属バリア板291(第1の頂部金属バリア層291Lのパターン化部)と、第2の頂部金属バリア板292(第2の頂部金属バリア層292Lのパターン化部)との積み重ねを含んでもよい。 In one embodiment, the optional bottom metal barrier plate 22 may include a stack of a first bottom metal barrier plate 221 (patterned portion of the first bottom metal barrier layer 221L), a second bottom metal barrier plate 222 (patterned portion of the second bottom metal barrier layer 222L), and a third bottom metal barrier plate 223 (patterned portion of the third bottom metal barrier layer 223L). The memory film 26 includes at least one dielectric metal oxide layer and includes an oxygen-deficient filamentous dielectric metal oxide material. For example, the memory film 26 may include a layer stack including a first dielectric metal oxide layer 261 (patterned portion of the first dielectric metal oxide layer 261L formed in the process of FIG. 4) and a second dielectric metal oxide layer 262 (patterned portion of the second dielectric metal oxide layer 262L formed in the process of FIG. 4). In one embodiment, the optional top metal barrier plate 29 may include a stack of a first top metal barrier plate 291 (a patterned portion of a first top metal barrier layer 291L) and a second top metal barrier plate 292 (a patterned portion of a second top metal barrier layer 292L).

一般に、第2の電極層28L、メモリ材料層26L、及び第1の電極層24Lの、パターン化エッチングシールド層37の領域外に位置する部分は、第2の異方性エッチングプロセスの間に異方性エッチングされ得る。第2の電極層28L、メモリ材料層26L、及び第1の電極層24Lの残りの部分は、第2の電極28、メモリ膜26、及び第1の電極24を含む。 In general, the portions of the second electrode layer 28L, the memory material layer 26L, and the first electrode layer 24L that are located outside the area of the patterned etch shield layer 37 may be anisotropically etched during the second anisotropic etching process. The remaining portions of the second electrode layer 28L, the memory material layer 26L, and the first electrode layer 24L include the second electrode 28, the memory film 26, and the first electrode 24.

少なくとも1つの選択的な底部金属バリア板22、第1の電極24、メモリ膜26、頂部電極28、及び少なくとも1つの選択的な頂部金属バリア板29の各接続セットは、メモリセル20を構成する。メモリセル20の二次元周期的アレイが形成され得る。メモリセル20の二次元周期的アレイは、第1の水平方向hd1に沿った第1のピッチp1、及び第2の水平方向hd2に沿った第2のピッチp2を有し得る。一つの実施例において、メモリ膜26と第1の電極24との間の各第1の界面は、水平中央セグメント、環状輪郭セグメント(第1の電極24の凸面がメモリ膜26の凹面に接触する)、及び環状輪郭セグメントの外周と隣接する水平環状セグメントを含んでもよい。メモリ膜26と第2の電極28との間の各第2の界面は、水平中央セグメント、環状輪郭セグメント(第2の電極28の凹面がメモリ膜26の凸面に接触する)、及び環状輪郭セグメントの外周と隣接する水平環状セグメントを含んでもよい。 Each connected set of at least one optional bottom metal barrier plate 22, first electrode 24, memory film 26, top electrode 28, and at least one optional top metal barrier plate 29 constitutes a memory cell 20. A two-dimensional periodic array of memory cells 20 may be formed. The two-dimensional periodic array of memory cells 20 may have a first pitch p1 along a first horizontal direction hd1 and a second pitch p2 along a second horizontal direction hd2. In one embodiment, each first interface between the memory film 26 and the first electrode 24 may include a horizontal central segment, an annular contour segment (where the convex surface of the first electrode 24 contacts the concave surface of the memory film 26), and a horizontal annular segment adjacent to the outer periphery of the annular contour segment. Each second interface between the memory film 26 and the second electrode 28 may include a horizontal central segment, an annular contour segment (where the concave surface of the second electrode 28 contacts the convex surface of the memory film 26), and a horizontal annular segment adjacent to the outer periphery of the annular contour segment.

一つの実施例において、メモリセル20内の素子の全ての側壁は、垂直に重なり合ってもよく、即ち、同一の垂直平面内に位置してもよい。そのため、各メモリセル20において、少なくとも1つの選択的な底部金属バリア板22の1つ又は複数の側壁、第1の電極24の1つ又は複数の側壁、メモリ膜26の1つ又は複数の側壁、頂部電極28の1つ又は複数の側壁、及び少なくとも1つの選択的な頂部金属バリア板29の1つ又は複数の側壁は垂直に重なり合ってもよい。説明的な実施例において、メモリセル20は、円形の水平断面形状を有し、垂直平面は、円筒状の垂直平面であってもよい。 In one embodiment, all sidewalls of the elements in the memory cell 20 may be vertically overlapping, i.e., may lie in the same vertical plane. Thus, in each memory cell 20, one or more sidewalls of at least one optional bottom metal barrier plate 22, one or more sidewalls of the first electrode 24, one or more sidewalls of the memory film 26, one or more sidewalls of the top electrode 28, and one or more sidewalls of at least one optional top metal barrier plate 29 may be vertically overlapping. In an illustrative embodiment, the memory cell 20 has a circular horizontal cross-sectional shape, and the vertical plane may be a cylindrical vertical plane.

一つの実施例において、第2の異方性エッチングプロセスは、エッチング・ストップ誘電体材料層18の材料に対して選択性を有するエッチング化学を利用してもよい。しかしながら、第2の異方性エッチングプロセスの端末部分において、エッチング・ストップ誘電体材料層18の頂部部分に対するパラレルエッチングが発生する可能性がある。一つの実施例において、エッチング・ストップ誘電体材料層18は、第1の電極24の各々の下にあり且つ水平延在部分と、垂直突出部の二次元アレイと、を含む。垂直突出部の各々は、第1の電極24の側壁に垂直に重なり合う側壁を含み、水平延在部分の周辺と隣接する底部周辺Pを有する。エッチング・ストップ誘電体材料層18は、平面図において第1の電極24の各々の領域内を貫通する開口を含む。 In one embodiment, the second anisotropic etching process may utilize an etching chemistry that is selective to the material of the etch-stop dielectric material layer 18. However, parallel etching of the top portion of the etch-stop dielectric material layer 18 may occur at the end portions of the second anisotropic etching process. In one embodiment, the etch-stop dielectric material layer 18 includes a horizontally extending portion that underlies each of the first electrodes 24 and a two-dimensional array of vertical protrusions. Each of the vertical protrusions includes a sidewall that vertically overlaps the sidewall of the first electrode 24 and has a bottom perimeter P adjacent the perimeter of the horizontally extending portion. The etch-stop dielectric material layer 18 includes an opening that extends through the area of each of the first electrodes 24 in plan view.

一般に、各メモリ膜26は、メモリ材料層26Lに設けられた少なくとも1つの非化学量論的酸素欠乏誘電体金属酸化物材料を含む。しかしながら、メモリ膜26の実体露出表面には、第2の異方性エッチングプロセスの間に導入された構造及び/又は成分欠陥が存在する可能性がある。このような欠陥の幾つは、酸素欠乏糸状体の早期形成に有利な条件を提供し、例えば、臨界電界量よりも小さい値を有する電界の下で、酸素欠乏糸状体の除去に不利である(そのため、欠陥のない誘電体金属酸化物の酸素欠乏糸状体を消去するのに十分であるべき電界を印加しても、酸素欠乏糸状体を完全に除去できない)。また、このような欠陥は、通常の動作条件では、メモリセル20のリーク経路として機能する。 Typically, each memory film 26 includes at least one non-stoichiometric oxygen-deficient dielectric metal oxide material disposed in the memory material layer 26L. However, the exposed surface of the memory film 26 may have structural and/or compositional defects introduced during the second anisotropic etching process. Some of these defects may provide conditions favorable for the early formation of oxygen-deficient filaments and may be unfavorable for the removal of the oxygen-deficient filaments, for example, under an electric field having a value less than the critical field amount (so that the application of an electric field that should be sufficient to erase the defect-free oxygen-deficient filaments of the dielectric metal oxide may not completely remove the oxygen-deficient filaments). Also, such defects may act as leakage paths for the memory cells 20 under normal operating conditions.

図7を参照し、本開示の態様によると、不動態化プラズマ処理プロセスを実行して、メモリ膜26の表面領域を不動態化することができる。第2の異方性エッチングプロセスの間に誘発された欠陥は、不動態化プラズマ処理プロセスの間に提供される不動態化元素で酸素原子を置換することによって不動態化される。一つの実施例において、不動態化プラズマ処理プロセスでは、フッ素ガスプラズマ又は窒素ガスプラズマを使用する。ガスプラズマ処理の温度は、例えば、40℃から75℃の範囲内であってもよいが、それよりも低い又は高いプラズマ処理温度を使用してもよい。ガスプラズマのパワーは、プロセスチャンバ内で処理される半導体ウエハのサイズに依存し、一般に200ワットから1500ワットの範囲内とすることができるが、それよりも低い又は高いガスプラズマパワーを使用してもよい。不動態化プラズマ処理プロセス中、フッ素ガス又は窒素ガスはプロセスチャンバ内に流入することができる。不動態化プラズマ処理プロセス中のゲートフローレートは、1分間に10標準立方センチ(standard cubic centimeters per minute;sccm)から200sccmの範囲内であってもよいが、それよりも低い又は高いゲートフローレートを使用してもよい。 7, according to an aspect of the present disclosure, a passivation plasma treatment process may be performed to passivate the surface region of the memory film 26. The defects induced during the second anisotropic etching process are passivated by replacing oxygen atoms with a passivating element provided during the passivation plasma treatment process. In one embodiment, the passivation plasma treatment process uses a fluorine gas plasma or a nitrogen gas plasma. The temperature of the gas plasma treatment may be, for example, in the range of 40° C. to 75° C., although lower or higher plasma treatment temperatures may be used. The power of the gas plasma depends on the size of the semiconductor wafer being processed in the process chamber and may generally be in the range of 200 watts to 1500 watts, although lower or higher gas plasma powers may be used. During the passivation plasma treatment process, fluorine gas or nitrogen gas may be flowed into the process chamber. The gate flow rate during the passivation plasma treatment process may be in the range of 10 standard cubic centimeters per minute (sccm) to 200 sccm, although lower or higher gate flow rates may be used.

一般に、メモリ膜26の材料及びガスプラズマ内のガスの種は、メモリ膜26内の金属元素(複数)とガスプラズマから提供されるフッ素原子又は窒素原子との間の原子結合強度が、金属元素と酸素原子との間の原子結合強度よりも大きくなるように選択され得る。そのため、不動態化プラズマ処理プロセスにおいて、メモリ膜26の表面セグメント内の酸素原子が、フッ素原子又は窒素原子に置換された後、不動態化プラズマ処理プロセスの後にメモリ膜26が酸素を含む雰囲気に曝されても、メモリ膜26の表面セグメントにおけるフッ素原子又は窒素原子が酸素原子に置換されることがない。 In general, the material of the memory film 26 and the species of the gas in the gas plasma can be selected such that the atomic bond strength between the metal element(s) in the memory film 26 and the fluorine or nitrogen atoms provided from the gas plasma is greater than the atomic bond strength between the metal element and the oxygen atom. Therefore, after the oxygen atoms in the surface segments of the memory film 26 are replaced with fluorine or nitrogen atoms in the passivation plasma treatment process, even if the memory film 26 is exposed to an atmosphere containing oxygen after the passivation plasma treatment process, the fluorine or nitrogen atoms in the surface segments of the memory film 26 are not replaced with oxygen atoms.

各メモリ膜26は、材料組成が不動態化プラズマ処理によって基本的に影響を受けない中央領域(261C、262C)と、不動態化プラズマ処理プロセスでは酸素原子をフッ素原子又は窒素原子に有意な分率で置換する周辺領域(261P、262P)とを含む。周辺領域(261P、262P)における不動態化元素(フッ素又は窒素であってもよい)と酸素との平均原子比は、0.01未満(及び/又は0.001未満、及び/又は0.0001未満、及び/又は1.0×10-5未満、及び/又は1.0×10-6未満、及び/又は1.0×10-7未満)の第1の数から0.05よりも大きい(及び/又は0.10超え、及び/又は0.10超え、及び/又は0.5超え、及び/又は1.0超え、及び/又は2超え、及び/又は5超え、及び/又は10超え)第2の数まで増加する。一つの実施例において、各メモリ膜26の各周辺領域(261P、262P)における不動態化元素(即ち、フッ素原子又は窒素原子)と酸素との平均原子比は、0.05を超え、及び/又は0.10を超え、及び/又は0.5を超え、及び/又は1.0を超え、及び/又は2を超え、及び/又は5を超え、及び/又は10を超えてもよい。一つの実施例において、各メモリ膜26の中央領域(261C、262C)は、0.01未満(及び/又は0.001未満、及び/又は0.0001未満、及び/又は1.0×10-5未満、及び/又は1.0×10-6未満、及び/又は1.0×10-7未満)である不動態化元素と酸素との平均原子比を有し得る。一つの実施例において、メモリ膜26の中央領域(261C、262C)は、0.05未満である不動態化元素と酸素との原子比を有するメモリ膜26の各体積を含んでもよく、且つメモリ膜26の周辺領域(261P、262P)は、0.05よりも大きいか又は無限大(即ち、酸素原子が存在しない条件)の不動態化元素と酸素との原子比を有するメモリ膜26の各体積を含んでもよい。 Each memory film 26 includes a central region (261C, 262C) whose material composition is essentially unaffected by the passivation plasma treatment, and a peripheral region (261P, 262P) in which the passivation plasma treatment process replaces a significant fraction of oxygen atoms with fluorine atoms or nitrogen atoms, and the average atomic ratio of the passivation element (which may be fluorine or nitrogen) to oxygen in the peripheral region (261P, 262P) increases from a first number less than 0.01 (and/or less than 0.001, and/or less than 0.0001, and/or less than 1.0×10 −5 , and/or less than 1.0×10 −6 , and/or less than 1.0×10 −7 ) to a second number greater than 0.05 (and/or greater than 0.10, and/or greater than 0.10, and/or greater than 0.5, and/or greater than 1.0, and/or greater than 2, and/or greater than 5, and/or greater than 10). In one embodiment, the average atomic ratio of passivating elements (i.e., fluorine atoms or nitrogen atoms) to oxygen in each peripheral region (261P, 262P) of each memory film 26 may be greater than 0.05, and/or greater than 0.10, and/or greater than 0.5, and/or greater than 1.0, and/or greater than 2, and/or greater than 5, and/or greater than 10. In one embodiment, the central region (261C, 262C) of each memory film 26 may have an average atomic ratio of passivating elements to oxygen that is less than 0.01 (and/or less than 0.001, and/or less than 0.0001, and/or less than 1.0×10 −5 , and/or less than 1.0×10 −6 , and/or less than 1.0×10 −7 ). In one embodiment, the central region (261C, 262C) of the memory film 26 may include each volume of the memory film 26 having an atomic ratio of the passivation element to oxygen that is less than 0.05, and the peripheral region (261P, 262P) of the memory film 26 may include each volume of the memory film 26 having an atomic ratio of the passivation element to oxygen that is greater than 0.05 or is infinity (i.e., a condition in which no oxygen atoms are present).

代替的な実施例において、非プラズマプロセスを使用して、不動態化元素を周辺領域(261P、262P)に導入し、図7の構造、又は後に説明される構造内の周辺領域の何れかを形成してもよい。例えば、フッ素原子又は窒素原子をメモリ膜26の周辺領域(261P、262P)に注入するために、低エネルギー斜めイオン注入プロセスを使用することができる。 In an alternative embodiment, a non-plasma process may be used to introduce a passivation element into the peripheral regions (261P, 262P) to form either the peripheral region of the structure of FIG. 7 or the structures described below. For example, a low energy angled ion implantation process may be used to implant fluorine or nitrogen atoms into the peripheral regions (261P, 262P) of the memory film 26.

メモリ膜26が第1の誘電体金属酸化層261と第2の誘電体金属酸化層262との積み重ねを含む実施例において、第1の誘電体金属酸化層261は、0.05未満である不動態化元素と酸素との原子比を有する第1の中央領域261C及び0.05よりも大きい不動態化元素と酸素との原子比を有する第1の周辺領域261Pを含んでもよく、第2の誘電体金属酸化層262は、0.05未満である不動態化元素と酸素との原子比を有する第2の中央領域262C及び0.05よりも大きい不動態化元素と酸素との原子比を有する第2の周辺領域262Pを含んでもよい。 In an embodiment in which the memory film 26 includes a stack of a first dielectric metal oxide layer 261 and a second dielectric metal oxide layer 262, the first dielectric metal oxide layer 261 may include a first central region 261C having an atomic ratio of the passivation element to oxygen that is less than 0.05 and a first peripheral region 261P having an atomic ratio of the passivation element to oxygen that is greater than 0.05, and the second dielectric metal oxide layer 262 may include a second central region 262C having an atomic ratio of the passivation element to oxygen that is less than 0.05 and a second peripheral region 262P having an atomic ratio of the passivation element to oxygen that is greater than 0.05.

各メモリ膜26内の周辺領域(261P、262P)の横方向の厚さは、2nmから4nm等の1nmから5nmの範囲内であってもよいが、それよりも小さい又は大きい横方向の厚さを使用してもよい。一つの実施例において、メモリ膜26の各周辺領域(261P、262P)は、不動態化元素の濃度勾配を有してもよく、不動態化元素(フッ素原子又は窒素原子であってもよい)の原子濃度をメモリ膜26の表面(即ち、側壁)からの距離に応じて減少させる。 The lateral thickness of the peripheral regions (261P, 262P) in each memory film 26 may be in the range of 1 nm to 5 nm, such as 2 nm to 4 nm, although smaller or larger lateral thicknesses may be used. In one embodiment, each peripheral region (261P, 262P) of the memory film 26 may have a concentration gradient of the passivation element, where the atomic concentration of the passivation element (which may be fluorine or nitrogen atoms) decreases with distance from the surface (i.e., sidewall) of the memory film 26.

本開示の態様によると、酸素原子が存在しないか、又はその一部がフッ素原子又は窒素原子に置換された周辺領域(261P、262P)の存在は、各メモリセル20の周辺領域(261P、262P)内の導電性糸状体の形成を抑制することがある。幾つかの実施例において、各周辺領域(261P、262P)の外側セグメントは、酸素原子を含まなくてもよい。本明細書で使用されるように、ある元素の原子百分率が1.0×10-6%未満(即ち、原子分率が1.0×10-8未満)であるか、又は本技術分野で利用可能な、実体体積内の材料組成を確定するための分析装置の検出限界を下回る場合、実体体積には「該元素が含まれない」。このような無酸素表面セグメントの横方向の厚さは、1nmから4nmの範囲内であってもよいが、それよりも小さい又は大きい厚さを使用してもよい。周辺領域(261P、262P)において、酸素原子の欠失又は減少により、メモリセル20の耐久性が向上し、また、酸素欠乏糸状体がないため、セルリーク電流が減少する。 According to aspects of the present disclosure, the presence of peripheral regions (261P, 262P) that are free of oxygen atoms or have some of them substituted with fluorine or nitrogen atoms may inhibit the formation of conductive threads in the peripheral regions (261P, 262P) of each memory cell 20. In some embodiments, the outer segments of each peripheral region (261P, 262P) may be free of oxygen atoms. As used herein, a material volume is "free of an element" if the atomic percentage of that element is less than 1.0×10 −6 % (i.e., the atomic fraction is less than 1.0×10 −8 ) or is below the detection limit of analytical equipment available in the art for determining the material composition within the material volume. The lateral thickness of such oxygen-free surface segments may be in the range of 1 nm to 4 nm, although smaller or larger thicknesses may be used. In the peripheral regions (261P, 262P), the lack or reduction of oxygen atoms increases the endurance of the memory cell 20, and the absence of oxygen-deficient threads reduces cell leakage current.

処理されていない酸化ハフニウム表面由来、及びフッ素プラズマで処理された酸化ハフニウム表面由来の例示的なX線光電子分光(x-ray photoemission spectroscopy;XPS)データである図8を参照する。第1の曲線810は、処理されていない酸化ハフニウム表面由来のXPSデータを示す。第2の曲線820は、フッ素プラズマで処理された酸化ハフニウム表面由来のXPSデータを示す。この実施例において、正規化された金属-フッ素結合(例えば、Hf-F)強度は、約1から約10の範囲内であってもよい。XPSデータは、周辺領域(261P、262P)がフッ素プラズマによって不動態化され得て、金属-フッ素結合で金属-酸素結合を置換する有意な分率、及び/又は主な分率を示す。XPSデータは、酸化ハフニウム表面上でのフッ素プラズマ処理の実施例を図示するが、上記で説明した窒素プラズマ及び/又は他の酸素欠乏糸状誘電体金属酸化物材料上でも同様の現象も起こると考えられる。 8, which is exemplary x-ray photoemission spectroscopy (XPS) data from an untreated hafnium oxide surface and from a hafnium oxide surface treated with a fluorine plasma. A first curve 810 shows the XPS data from an untreated hafnium oxide surface. A second curve 820 shows the XPS data from a hafnium oxide surface treated with a fluorine plasma. In this example, the normalized metal-fluorine bond (e.g., Hf-F) intensity may be in the range of about 1 to about 10. The XPS data shows a significant fraction, and/or a major fraction, of the surrounding regions (261P, 262P) may be passivated by the fluorine plasma, replacing metal-oxygen bonds with metal-fluorine bonds. The XPS data illustrates an example of fluorine plasma treatment on a hafnium oxide surface, but it is believed that a similar phenomenon also occurs with nitrogen plasma and/or other oxygen-deficient filamentous dielectric metal oxide materials as discussed above.

図9A及び図9Bを参照し、メモリセル20の二次元アレイ及びハードシールドキャップ30の上方に上部ビアホールレベル誘電体材料層646を形成することができる。上部ビアホールレベル誘電体材料層646は、下部ビアホールレベル誘電体材料層645に使用可能な任意の誘電体材料を含み得る。一つの実施例において、上部ビアホールレベル誘電体材料層646は、酸化ケイ素のような平坦化可能な誘電体材料を含んでもよいし、又はスピン誘電体材料のような平坦化可能な誘電体材料を含んでもよい。この実施例において、上部ビアホールレベル誘電体材料層646の上面は、平面又は半平面の表面として形成されてもよい。上部ビアホールレベル誘電体材料層646の厚さは、上部ビアホールレベル誘電体材料層646の上面が、ハードシールドキャップ30の上面を含む水平面に形成されるように選択され得る。 9A and 9B, an upper via hole level dielectric material layer 646 can be formed above the two-dimensional array of memory cells 20 and the hard shield cap 30. The upper via hole level dielectric material layer 646 can include any dielectric material that can be used for the lower via hole level dielectric material layer 645. In one embodiment, the upper via hole level dielectric material layer 646 can include a planarizable dielectric material such as silicon oxide or a planarizable dielectric material such as a spin-on dielectric material. In this embodiment, the upper surface of the upper via hole level dielectric material layer 646 can be formed as a planar or semi-planar surface. The thickness of the upper via hole level dielectric material layer 646 can be selected such that the upper surface of the upper via hole level dielectric material layer 646 is formed in a horizontal plane that includes the upper surface of the hard shield cap 30.

ビアホールキャビティは、メモリセル20の二次元アレイの上及び周辺領域200内の金属相互接続構造(例えば、第3の金属配線構造638)の上方に形成され得る。頂部金属バリア板29(又は頂部電極28)の上面は、メモリアレイ領域100に形成されたビアホールキャビティの底部に実質的に露出することができ、且つ下にある金属相互接続構造(例えば、第3の金属配線構造638)の上面は、周辺領域200に形成されたビアホールキャビティの底部に実質的に露出することができる。少なくとも1つの金属材料(例えば、金属バリアライニングと金属充填材料との組合せ)は、ビアホールキャビティの各々の内に堆積することができ、且つ少なくとも1つの金属材料の余分な部分は、上部ビアホールレベル誘電体材料層646の上面から平坦化プロセスによって除去することができる。平坦化プロセスは、化学機械研磨(chemical mechanical polishing;CMP)プロセス又はリセッスエッチングプロセスを含み得る。メモリセル20で被覆されるビアホールキャビティを充填する少なくとも1つの金属材料の残りの部分の各々は、頂部接続ビアホール構造35を構成する。周辺領域200内のビアホールキャビティを充填する少なくとも1つの金属材料の残りの部分の各々は、第3の金属ビアホール構造642を構成する。各頂部接続ビアホール構造35は、頂部金属バリア板29及び/又は頂部電極28に接触する。 Via hole cavities may be formed above the two-dimensional array of memory cells 20 and above the metal interconnect structures (e.g., the third metal wiring structure 638) in the peripheral region 200. The upper surface of the top metal barrier plate 29 (or top electrode 28) may be substantially exposed to the bottom of the via hole cavities formed in the memory array region 100, and the upper surface of the underlying metal interconnect structures (e.g., the third metal wiring structure 638) may be substantially exposed to the bottom of the via hole cavities formed in the peripheral region 200. At least one metal material (e.g., a combination of a metal barrier lining and a metal fill material) may be deposited within each of the via hole cavities, and excess portions of the at least one metal material may be removed from the upper surface of the upper via hole level dielectric material layer 646 by a planarization process. The planarization process may include a chemical mechanical polishing (CMP) process or a recess etching process. Each remaining portion of the at least one metal material filling a via hole cavity covered by a memory cell 20 constitutes a top connection via hole structure 35. Each remaining portion of the at least one metal material filling a via hole cavity in the peripheral region 200 constitutes a third metal via hole structure 642. Each top connection via hole structure 35 contacts the top metal barrier plate 29 and/or the top electrode 28.

図10A及び図10Bを参照し、上部ビアホールレベル誘電体材料層646の上方に配線レベル誘電体材料層647を堆積することができる。下部ビアホールレベル誘電体材料層645と、エッチング・ストップ誘電体材料層18と、上部ビアホールレベル誘電体材料層646と、配線レベル誘電体材料層647との組合せは、第4の相互接続レベル誘電体材料層640のような相互接続レベル誘電体材料層を構成する。 10A and 10B, an interconnect level dielectric material layer 647 can be deposited above the upper via level dielectric material layer 646. The combination of the lower via level dielectric material layer 645, the etch stop dielectric material layer 18, the upper via level dielectric material layer 646, and the interconnect level dielectric material layer 647 constitutes an interconnect level dielectric material layer such as the fourth interconnect level dielectric material layer 640.

配線キャビティは、配線レベル誘電体材料層647内に形成されてよく、金属配線構造を形成するために少なくとも1つの金属材料(例えば、金属バリアライニングと金属充填材料との組合せ)で充填することができ、本明細書において第4の金属配線構造648と呼ばれる。一つの実施例において、第4の金属配線構造648のサブセットは、第1の水平方向hd1に沿って横方向に延在するビット線648Bを含んでもよい。ビット線648Bの各々は、第1の水平方向hd1に沿って配置された頂部接続ビアホール構造35における個別の列に接触してもよい。一つの実施例において、ビット線648Bは、第2の水平方向hd2に沿って第2のピッチp2の周期性を周期的に有してもよい。 The wiring cavities may be formed in the wiring level dielectric material layer 647 and filled with at least one metal material (e.g., a combination of a metal barrier lining and a metal fill material) to form metal wiring structures, referred to herein as fourth metal wiring structures 648. In one embodiment, a subset of the fourth metal wiring structures 648 may include bit lines 648B extending laterally along the first horizontal direction hd1. Each of the bit lines 648B may contact a respective column of top connection via hole structures 35 disposed along the first horizontal direction hd1. In one embodiment, the bit lines 648B may have a periodicity of a second pitch p2 along the second horizontal direction hd2.

第1の例示的な構造は、半導体構造を含む。半導体構造は、メモリセル20の二次元アレイを含み、メモリセル20は、基板8で被覆される個別の第1の電極24、個別のメモリ膜26、及び個別の第2の電極28を含む。二次元アレイ積み重ね内の各メモリ膜26は、不動態化元素と酸素との第1の平均原子比が0.01未満(及び/又は0.001未満、及び/又は0.0001未満、及び/又は1.0×10-5未満、及び/又は1.0×10-6未満、及び/又は1.0×10-7未満)である個別の中央領域(261C、262C)を含み、且つ不動態化元素と酸素との第2の平均原子比が0.05よりも大きい(及び/又は0.10超え、及び/又は0.10超え、及び/又は0.5超え、及び/又は1.0超え、及び/又は2超え、及び/又は5超え、及び/又は10超え)個別の周辺領域(261P、262P)を含む。 The first exemplary structure includes a semiconductor structure that includes a two-dimensional array of memory cells 20, each of which includes a respective first electrode 24, a respective memory film 26, and a respective second electrode 28 overlying a substrate 8. Each memory film 26 in the two-dimensional array stack includes a distinct central region (261C, 262C) having a first average atomic ratio of passivating element to oxygen less than 0.01 (and/or less than 0.001, and/or less than 0.0001, and/or less than 1.0×10 −5 , and/or less than 1.0×10 −6 , and/or less than 1.0×10 −7 ), and a distinct peripheral region (261P, 262P) having a second average atomic ratio of passivating element to oxygen greater than 0.05 (and/or greater than 0.10, and/or greater than 0.10, and/or greater than 0.5, and/or greater than 1.0, and/or greater than 2, and/or greater than 5, and/or greater than 10).

半導体構造は、基板8に位置し、その中のアクセストランジスター70Aの各々がメモリセル20の二次元アレイ内のメモリセル20の各々に電気的に接続されるアクセストランジスター70Aの二次元アレイと、誘電体材料層(601、610、620、630、645、18)内に位置し、アクセストランジスター70Aの二次元アレイとメモリセル20の二次元アレイとの間に電気的接続を提供する金属相互接続構造(612、618、622、628、632、638、15)とを更に含む。 The semiconductor structure further includes a two-dimensional array of access transistors 70A located in the substrate 8, each of the access transistors 70A being electrically connected to each of the memory cells 20 in the two-dimensional array of memory cells 20, and a metal interconnect structure (612, 618, 622, 628, 632, 638, 15) located in the dielectric material layer (601, 610, 620, 630, 645, 18) and providing electrical connection between the two-dimensional array of access transistors 70A and the two-dimensional array of memory cells 20.

一つの実施例において、金属相互接続構造(612、618、622、628、632、638、15)は、ビアホール構造(例えば、底部接続ビアホール構造15)の二次元アレイを含み、且つ誘電体材料層(601、610、620、630、645、18)は、ビアホール構造15の二次元アレイ内のビアホール構造の上面に接触し、水平延在部分及び垂直突出部の二次元アレイを含むエッチング・ストップ誘電体材料層18を含む。 In one embodiment, the metal interconnect structure (612, 618, 622, 628, 632, 638, 15) includes a two-dimensional array of via hole structures (e.g., bottom-connected via hole structures 15), and the dielectric material layer (601, 610, 620, 630, 645, 18) includes an etch-stop dielectric material layer 18 contacting the top surfaces of the via hole structures in the two-dimensional array of via hole structures 15 and including a two-dimensional array of horizontal extensions and vertical protrusions.

一つの実施例において、垂直突出部内の各々は、第1の電極24の個別のものの側壁に垂直に重なり合う個別の側壁を含み、水平延在部分の個別の周辺と隣接する個別の底部周辺Pを有し、エッチング・ストップ誘電体材料層18は、その中を貫通する開口の二次元アレイを含み、且つエッチング・ストップ誘電体材料層18を貫通する各開口は、平面図において完全に第1の電極24の個別のものの領域内に位置する。 In one embodiment, each of the vertical protrusions includes a respective sidewall that vertically overlaps a respective one of the first electrodes 24 and has a respective bottom perimeter P adjacent a respective perimeter of the horizontally extending portion, the etch-stop dielectric material layer 18 includes a two-dimensional array of openings therethrough, and each opening through the etch-stop dielectric material layer 18 is located entirely within the area of a respective one of the first electrodes 24 in plan view.

図11を参照し、図4の処理工程においてメモリ材料層26Lとして単一誘電体金属酸化層を用いることによって、第1の例示的な構造から第1の例示的な構造の代替的な構成を得ることができる。この実施例において、各メモリ膜26は、単一誘電体金属酸化層から構成され得る。各メモリ膜26は、中央領域260C及び周辺領域260Pを含む。中央領域260C及び周辺領域260Pは、それぞれ上記した第1の中央領域261C及び第1の周辺領域261Pの組成を有し得るか、又はそれぞれ上記した第2の中央領域262C及び第2の周辺領域262Pの組成を有し得る。この実施例において、各メモリ膜26の中央領域は、第1の電極24の第1の界面と第2の電極28の第2の界面との間の垂直方向(即ち、垂直方向に沿う)に沿って同じ材料組成を有してもよい。 11, an alternative configuration of the first exemplary structure can be obtained from the first exemplary structure by using a single dielectric metal oxide layer as the memory material layer 26L in the process step of FIG. 4. In this example, each memory film 26 can be composed of a single dielectric metal oxide layer. Each memory film 26 includes a central region 260C and a peripheral region 260P. The central region 260C and the peripheral region 260P can have the composition of the first central region 261C and the first peripheral region 261P described above, respectively, or can have the composition of the second central region 262C and the second peripheral region 262P described above, respectively. In this example, the central region of each memory film 26 can have the same material composition along the vertical direction (i.e., along the vertical direction) between the first interface of the first electrode 24 and the second interface of the second electrode 28.

図12を参照し、エッチング・ストップ誘電体材料層18を貫通する開口の二次元アレイの形成、フォトレジスト層19の除去、底部金属バリア板22の二次元アレイの形成、及び下から上に向かって第1の電極層24Lと、メモリ材料層26Lと、第2の電極層28Lと、少なくとも1つの選択的な頂部金属バリア層29Lと、ハードシールド層30Lとを含む層積み重ねの形成によって、図3の第1の例示的な構造から本開示の実施例による第2の例示的な構造を得ることができる。 Referring to FIG. 12, a second exemplary structure according to an embodiment of the present disclosure can be obtained from the first exemplary structure of FIG. 3 by forming a two-dimensional array of openings through the etch-stop dielectric material layer 18, removing the photoresist layer 19, forming a two-dimensional array of bottom metal barrier plates 22, and forming a layer stack including, from bottom to top, a first electrode layer 24L, a memory material layer 26L, a second electrode layer 28L, at least one optional top metal barrier layer 29L, and a hard shield layer 30L.

一つの実施例において、エッチング・ストップ誘電体材料層18を貫通する開口への少なくとも1つの金属バリア材料の堆積、及び化学機械研磨プロセスのような平坦化プロセスによって、エッチング・ストップ誘電体材料層18の上面を含む水平面から少なくとも1つの金属バリア材料部分を除去して底部金属バリア板22の二次元アレイを形成してもよい。底部金属バリア板22の少なくとも1つの金属バリア材料は、図5を参照して説明された第1の底部金属バリア層221L、第2の底部金属バリア層222L、及び第3の底部金属バリア層223Lの何れかに使用可能な金属バリア材料の何れかを含んでもよい。第1の電極層24L、メモリ材料層26L、第2の電極層28L、少なくとも1つの選択的な頂部金属バリア層29L、及びハードシールド層30Lの各々は、第1の例示的な構造と同一の材料組成及び同一の厚さ範囲を有し得る。 In one embodiment, a two-dimensional array of bottom metal barrier plates 22 may be formed by depositing at least one metal barrier material into the openings through the etch-stop dielectric material layer 18 and removing at least one metal barrier material portion from horizontal surfaces including the top surface of the etch-stop dielectric material layer 18 by a planarization process such as a chemical mechanical polishing process. The at least one metal barrier material of the bottom metal barrier plate 22 may include any of the metal barrier materials usable for the first bottom metal barrier layer 221L, the second bottom metal barrier layer 222L, and the third bottom metal barrier layer 223L described with reference to FIG. 5. Each of the first electrode layer 24L, the memory material layer 26L, the second electrode layer 28L, the at least one optional top metal barrier layer 29L, and the hard shield layer 30L may have the same material composition and thickness range as the first exemplary structure.

図13を参照し、ハードシールド層30Lの上方にフォトレジスト層をかけることができ、パターン化フォトレジスト層37を形成するようにリソグラフィーパターン化を行うことができる。パターン化フォトレジスト層37は、底部接続ビアホール構造15内の個別のもので被覆される離散的なフォトレジスト材料部分の二次元周期的アレイを含むことができる。そのため、離散的なフォトレジスト材料部分の二次元周期的アレイは、底部接続ビアホール構造15の二次元アレイと同じ二次元周期性を有し得る。離散的なフォトレジスト材料部分の各々は、面積がエッチング・ストップ誘電体材料層18における個別の下にある開口と重なり合うことができる。一つの実施例において、離散的なフォトレジスト材料部分の各々は、平面図(即ち、上から下へ見る図)においてエッチング・ストップ誘電体材料層18における下にある開口の周辺の横方向に対して外側にオフセットされた周辺を有し得る。 13, a photoresist layer can be applied over the hard shield layer 30L and lithographically patterned to form a patterned photoresist layer 37. The patterned photoresist layer 37 can include a two-dimensional periodic array of discrete photoresist material portions that are coated with individual ones of the bottom connection via hole structures 15. Thus, the two-dimensional periodic array of discrete photoresist material portions can have the same two-dimensional periodicity as the two-dimensional array of bottom connection via hole structures 15. Each of the discrete photoresist material portions can overlap in area with a respective underlying opening in the etch stop dielectric material layer 18. In one embodiment, each of the discrete photoresist material portions can have a perimeter that is laterally offset outwardly relative to the perimeter of the underlying opening in the etch stop dielectric material layer 18 in a plan view (i.e., a top-down view).

図14を参照し、パターン化フォトレジスト層37の離散的なフォトレジスト材料部分の二次元アレイのパターンは、第1の異方性エッチングプロセスを実行することによって、ハードシールド層30L、少なくとも1つの選択的な頂部金属バリア層29L、及第2の電極層28Lを介して転写することができる。ハードシールド層30Lは、ハードシールドキャップ30の二次元アレイとしてパターン化され得る。少なくとも1つの選択的な頂部金属バリア層29L(使用する場合)は、頂部金属バリア板29の二次元アレイとしてパターン化され得る。一つの実施例において、各頂部金属バリア板29は、第1の頂部金属バリア板291(第1の頂部金属バリア層291Lのパターン化部)と第2の頂部金属バリア板292(第2の頂部金属バリア層292Lのパターン化部)との積み重ねを含んでもよい。第2の電極層28Lは、第2の電極28の二次元アレイとしてパターン化され得る。メモリ材料層26Lは、第1の異方性エッチングプロセスのエッチング・ストップ層として使用され得る。その後、パターン化フォトレジスト層37は、例えば、アッシングによって除去することができる。 14, the pattern of the two-dimensional array of discrete photoresist material portions of the patterned photoresist layer 37 can be transferred through the hard shield layer 30L, the at least one optional top metal barrier layer 29L, and the second electrode layer 28L by performing a first anisotropic etching process. The hard shield layer 30L can be patterned as a two-dimensional array of hard shield caps 30. The at least one optional top metal barrier layer 29L (if used) can be patterned as a two-dimensional array of top metal barrier plates 29. In one embodiment, each top metal barrier plate 29 may include a stack of a first top metal barrier plate 291 (patterned portion of the first top metal barrier layer 291L) and a second top metal barrier plate 292 (patterned portion of the second top metal barrier layer 292L). The second electrode layer 28L can be patterned as a two-dimensional array of second electrodes 28. The memory material layer 26L may be used as an etch stop layer for the first anisotropic etching process. The patterned photoresist layer 37 may then be removed, for example, by ashing.

図15を参照し、窒化ケイ素、炭化窒化ケイ素、又は酸化ケイ素のような絶縁材料は、コンフォーマル堆積プロセス(例えば、化学気相堆積プロセス)によって第2の電極28の二次元アレイの上方にコンフォーマル堆積して、絶縁材料層を形成することができる。異方性エッチングプロセスを実行して、絶縁材料層の水平延在部分を除去することができる。第2の電極28と、頂部金属バリア板29と、ハードシールドキャップ30との個別の積み重ねを横方向に囲む絶縁材料層の個々の残りの円筒状の部分は、絶縁スペーサ32を構成する。内側壁と外側壁との間で測定された各絶縁スペーサ32の横方向の厚さは、8nmから40nm等の4nmから80nmの範囲内であってもよいが、それよりも小さい又は大きい横方向の厚さを使用してもよい。各絶縁スペーサ32は、個別の第2の電極28を横方向に囲んでいる。 With reference to FIG. 15, an insulating material such as silicon nitride, silicon carbonitride, or silicon oxide can be conformally deposited over the two-dimensional array of second electrodes 28 by a conformal deposition process (e.g., a chemical vapor deposition process) to form an insulating material layer. An anisotropic etching process can be performed to remove horizontally extending portions of the insulating material layer. The individual remaining cylindrical portions of the insulating material layer that laterally surround the individual stacks of second electrodes 28, top metal barrier plate 29, and hard shield caps 30 constitute insulating spacers 32. The lateral thickness of each insulating spacer 32 measured between the inner and outer walls may be in the range of 4 nm to 80 nm, such as 8 nm to 40 nm, although smaller or larger lateral thicknesses may be used. Each insulating spacer 32 laterally surrounds an individual second electrode 28.

図16を参照し、ハードシールドキャップ30の二次元アレイと絶縁スペーサ32の二次元アレイとの組合せのうちのパターンは、第2の異方性エッチングプロセスを実行することによって、メモリ材料層26L及び第1の電極層24Lを介して転写することができる。メモリ材料層26Lの各パターン化部は、メモリ膜26を含む。第1の電極層24Lの各パターン化部は、第1の電極24を含む。 Referring to FIG. 16, the pattern of the combination of the two-dimensional array of hard shield caps 30 and the two-dimensional array of insulating spacers 32 can be transferred through the memory material layer 26L and the first electrode layer 24L by performing a second anisotropic etching process. Each patterned portion of the memory material layer 26L includes a memory film 26. Each patterned portion of the first electrode layer 24L includes a first electrode 24.

各メモリ膜26は、酸素欠乏糸状誘電体金属酸化物材料を含む少なくとも1つの誘電体金属酸化層を含む。例えば、メモリ膜26は、第1の誘電体金属酸化層261と第2の誘電体金属酸化層262とを含む層積み重ねを含むことができる。 Each memory film 26 includes at least one dielectric metal oxide layer that includes an oxygen-deficient thread-like dielectric metal oxide material. For example, the memory film 26 can include a layer stack that includes a first dielectric metal oxide layer 261 and a second dielectric metal oxide layer 262.

一般に、第2の電極層28L、メモリ材料層26L、及び第1の電極層24Lのうち、第2の電極の二次元アレイ及び絶縁スペーサ32の二次元アレイによって遮蔽されていない部分は、第2の異方性エッチングプロセスの間に異方性エッチングされてもよい。メモリ材料層26L及び第1の電極層24Lの残りの部分は、メモリ膜26及び第1の電極24を含む。 In general, the portions of the second electrode layer 28L, the memory material layer 26L, and the first electrode layer 24L that are not shielded by the two-dimensional array of the second electrodes and the two-dimensional array of insulating spacers 32 may be anisotropically etched during the second anisotropic etching process. The remaining portions of the memory material layer 26L and the first electrode layer 24L include the memory film 26 and the first electrode 24.

底部金属バリア板22、第1の電極24、メモリ膜26、頂部電極28、及び頂部金属バリア板29の各連続セットは、メモリセル20を構成する。メモリセル20の二次元周期的アレイを形成することができる。メモリセル20の二次元周期的アレイは、第1の水平方向hd1に沿った第1のピッチp1と、第2の水平方向hd2に沿った第2のピッチp2とを有し得る。一つの実施例において、メモリ膜26と第1の電極24との間の各第1の界面は、水平セグメントを含んでもよい。メモリ膜26と第2の電極28との間の各第2の界面は、水平セグメントを含んでもよい。 Each successive set of bottom metal barrier plate 22, first electrode 24, memory film 26, top electrode 28, and top metal barrier plate 29 constitutes a memory cell 20. A two-dimensional periodic array of memory cells 20 can be formed. The two-dimensional periodic array of memory cells 20 can have a first pitch p1 along a first horizontal direction hd1 and a second pitch p2 along a second horizontal direction hd2. In one embodiment, each first interface between memory film 26 and first electrode 24 can include a horizontal segment. Each second interface between memory film 26 and second electrode 28 can include a horizontal segment.

一つの実施例において、第1の電極24の1つ又は複数の側壁、メモリ膜26の1つ又は複数の側壁、及び絶縁スペーサ32で被覆される外側壁は、互いに垂直に重なり合ってもよい。メモリセル20が円形の水平断面形状を有する説明的な実施例において、垂直平面は、円筒状の垂直平面であってもよい。 In one embodiment, one or more sidewalls of the first electrode 24, one or more sidewalls of the memory film 26, and the outer wall covered by the insulating spacer 32 may vertically overlap one another. In an illustrative embodiment in which the memory cell 20 has a circular horizontal cross-sectional shape, the vertical plane may be a cylindrical vertical plane.

一つの実施例において、第2の異方性エッチングプロセスは、エッチング・ストップ誘電体材料層18の材料に対して選択性を有するエッチング化学を利用してもよい。しかしながら、第2の異方性エッチングプロセスの端末部分において、エッチング・ストップ誘電体材料層18の頂部部分に対するパラレルエッチングが発生する可能性がある。一つの実施例において、エッチング・ストップ誘電体材料層18は、第1の電極24の各々の下にあり且つ水平延在部分及び垂直突出部の二次元アレイを含む。垂直突出部の各々は、第1の電極24の側壁に垂直に重なり合う側壁を含み、水平延在部分の周辺と隣接する底部周辺Pを有する。エッチング・ストップ誘電体材料層18は、平面図において第1の電極24の各々の領域内を貫通する開口を有する。 In one embodiment, the second anisotropic etching process may utilize an etching chemistry that is selective to the material of the etch-stop dielectric material layer 18. However, parallel etching of the top portion of the etch-stop dielectric material layer 18 may occur at the end portions of the second anisotropic etching process. In one embodiment, the etch-stop dielectric material layer 18 underlies each of the first electrodes 24 and includes a two-dimensional array of horizontally extending portions and vertical protrusions. Each of the vertical protrusions includes a sidewall that vertically overlaps the sidewall of the first electrode 24 and has a bottom perimeter P adjacent the perimeter of the horizontally extending portion. The etch-stop dielectric material layer 18 has an opening extending therethrough in a plan view within the area of each of the first electrodes 24.

上記したように、メモリ膜26の実体露出表面には、第2の異方性エッチングプロセスの間に導入された構造及び/又は成分欠陥が存在する可能性がある。このような欠陥の幾つは、酸素欠乏糸状体の早期形成に有利な条件を提供し、例えば、臨界電界量よりも小さい値を有する電界の下で、且つ酸素欠乏糸状体の除去に不利である(そのため、欠陥のない誘電体金属酸化物の酸素欠乏糸状体を消去するのに十分であるべき電界を印加しても、酸素欠乏糸状体を完全に除去できない)。また、このような欠陥は、通常の動作条件では、メモリセル20のリーク経路として機能する。 As mentioned above, the exposed surface of the memory film 26 may have structural and/or compositional defects introduced during the second anisotropic etching process. Some of these defects provide conditions favorable for the early formation of oxygen-deficient filaments, e.g., under electric fields having values less than the critical field magnitude, and are unfavorable for the removal of the oxygen-deficient filaments (so that the application of an electric field that would be sufficient to erase the defect-free dielectric metal oxide oxygen-deficient filaments does not completely remove the oxygen-deficient filaments). Also, such defects act as leakage paths for the memory cell 20 under normal operating conditions.

不動態化プラズマ処理プロセスを実行して、メモリ膜26の表面領域を不動態化することができる。第2の異方性エッチングプロセスの間に誘発された欠陥は、不動態化プラズマ処理プロセスの間に提供される不動態化元素で酸素原子を置換することによって不動態化される。不動態化プラズマ処理プロセスでは、フッ素ガスプラズマ又は窒素ガスプラズマを使用する。ガスプラズマ処理プロセスのプロセス条件は、図7を参照して説明されたガスプラズマ処理プロセスのプロセス条件と同じであってもよい。 A passivation plasma treatment process may be performed to passivate the surface region of the memory film 26. The defects induced during the second anisotropic etching process are passivated by replacing oxygen atoms with passivating elements provided during the passivation plasma treatment process. The passivation plasma treatment process uses a fluorine gas plasma or a nitrogen gas plasma. The process conditions of the gas plasma treatment process may be the same as the process conditions of the gas plasma treatment process described with reference to FIG. 7.

一般に、メモリ膜26の材料及びガスプラズマ内のガスの種は、メモリ膜26内の金属元素(複数)とガスプラズマから提供されるフッ素原子又は酸素原子との間の原子結合強度が、金属元素と酸素原子との間の原子結合強度よりも大きくなるように選択され得る。そのため、不動態化プラズマ処理プロセス中、メモリ膜26の表面部分内の酸素原子が、フッ素原子又は窒素原子に置換された後、不動態化プラズマ処理プロセスの後にメモリ膜26が酸素を含む雰囲気に曝されても、メモリ膜26の表面部分におけるフッ素原子又は窒素原子が酸素原子に置換されることがない。 In general, the material of the memory film 26 and the species of the gas in the gas plasma can be selected such that the atomic bond strength between the metal element(s) in the memory film 26 and the fluorine or oxygen atoms provided from the gas plasma is greater than the atomic bond strength between the metal element and the oxygen atom. Therefore, after the oxygen atoms in the surface portion of the memory film 26 are replaced with fluorine atoms or nitrogen atoms during the passivation plasma treatment process, even if the memory film 26 is exposed to an atmosphere containing oxygen after the passivation plasma treatment process, the fluorine atoms or nitrogen atoms in the surface portion of the memory film 26 are not replaced with oxygen atoms.

各メモリ膜26は、材料組成が不動態化プラズマ処理によって基本的に影響を受けない中央領域(261C、262C)と、不動態化プラズマ処理プロセスでは酸素原子をフッ素原子又は窒素原子に有意な分率で置換する周辺領域(261P、262P)とを含む。周辺領域(261P、262P)における不動態化元素(フッ素又は窒素であってもよい)と酸素との平均原子比は、0.01未満(及び/又は0.001未満、及び/又は0.0001未満、及び/又は1.0×10-5未満、及び/又は1.0×10-6未満、及び/又は1.0×10-7未満)の第1の数から0.05よりも大きい(及び/又は0.10超え、及び/又は0.10超え、及び/又は0.5超え、及び/又は1.0超え、及び/又は2超え、及び/又は5超え、及び/又は10超え)第2の数まで増加する。一つの実施例において、各メモリ膜26の各周辺領域(261P、262P)における不動態化元素(即ち、フッ素原子又は窒素原子)と酸素との平均原子比は、0.05を超え、及び/又は0.10を超え、及び/又は0.5を超え、及び/又は1.0を超え、及び/又は2を超え、及び/又は5を超え、及び/又は10を超えてもよい。一つの実施例において、各メモリ膜26の中央領域(261C、262C)は、0.01未満(及び/又は0.001未満、及び/又は0.0001未満、及び/又は1.0×10-5未満、及び/又は1.0×10-6未満、及び/又は1.0×10-7未満)である不動態化元素と酸素との平均原子比を有し得る。一つの実施例において、メモリ膜26の中央領域(261C、262C)は、0.05未満である不動態化元素と酸素との原子比を有するメモリ膜26の各体積を含んでもよく、且つメモリ膜26の周辺領域(261P、262P)は、0.05よりも大きいか又は無限大(即ち、酸素原子が存在しない条件)の不動態化元素と酸素との原子比を有するメモリ膜26の各体積を含んでもよい。 Each memory film 26 includes a central region (261C, 262C) whose material composition is essentially unaffected by the passivation plasma treatment, and a peripheral region (261P, 262P) in which the passivation plasma treatment process replaces a significant fraction of oxygen atoms with fluorine atoms or nitrogen atoms, and the average atomic ratio of the passivation element (which may be fluorine or nitrogen) to oxygen in the peripheral region (261P, 262P) increases from a first number less than 0.01 (and/or less than 0.001, and/or less than 0.0001, and/or less than 1.0×10 −5 , and/or less than 1.0×10 −6 , and/or less than 1.0×10 −7 ) to a second number greater than 0.05 (and/or greater than 0.10, and/or greater than 0.10, and/or greater than 0.5, and/or greater than 1.0, and/or greater than 2, and/or greater than 5, and/or greater than 10). In one embodiment, the average atomic ratio of passivating elements (i.e., fluorine atoms or nitrogen atoms) to oxygen in each peripheral region (261P, 262P) of each memory film 26 may be greater than 0.05, and/or greater than 0.10, and/or greater than 0.5, and/or greater than 1.0, and/or greater than 2, and/or greater than 5, and/or greater than 10. In one embodiment, the central region (261C, 262C) of each memory film 26 may have an average atomic ratio of passivating elements to oxygen that is less than 0.01 (and/or less than 0.001, and/or less than 0.0001, and/or less than 1.0×10 −5 , and/or less than 1.0×10 −6 , and/or less than 1.0×10 −7 ). In one embodiment, the central region (261C, 262C) of the memory film 26 may include each volume of the memory film 26 having an atomic ratio of the passivation element to oxygen that is less than 0.05, and the peripheral region (261P, 262P) of the memory film 26 may include each volume of the memory film 26 having an atomic ratio of the passivation element to oxygen that is greater than 0.05 or is infinity (i.e., a condition in which no oxygen atoms are present).

メモリ膜26が第1の誘電体金属酸化層261と第2の誘電体金属酸化層262との積み重ねを含む実施例において、第1の誘電体金属酸化層261は、0.05未満である不動態化元素と酸素との原子比を有する第1の中央領域261C、及び0.05よりも大きい不動態化元素と酸素との原子比を有する第1の周辺領域261Pを含んでもよく、第2の誘電体金属酸化層262は、0.05未満である不動態化元素と酸素との原子比を有する第2の中央領域262C、及び0.05よりも大きい不動態化元素と酸素との原子比を有する第2の周辺領域262Pを含んでもよい。 In an embodiment in which the memory film 26 includes a stack of a first dielectric metal oxide layer 261 and a second dielectric metal oxide layer 262, the first dielectric metal oxide layer 261 may include a first central region 261C having an atomic ratio of the passivation element to oxygen that is less than 0.05 and a first peripheral region 261P having an atomic ratio of the passivation element to oxygen that is greater than 0.05, and the second dielectric metal oxide layer 262 may include a second central region 262C having an atomic ratio of the passivation element to oxygen that is less than 0.05 and a second peripheral region 262P having an atomic ratio of the passivation element to oxygen that is greater than 0.05.

各メモリ膜26内の周辺領域(261P、262P)の横方向の厚さは、2nmから4nm等の1nmから5nmの範囲内であってもよいが、それよりも小さい又は大きい横方向の厚さを使用してもよい。一つの実施例において、メモリ膜26の各周辺領域(261P、262P)は、不動態化元素の濃度勾配を有してもよく、不動態化元素(フッ素原子又は窒素原子であってもよい)の原子濃度をメモリ膜26の表面(即ち、側壁)からの距離に応じて減少させる。 The lateral thickness of the peripheral regions (261P, 262P) in each memory film 26 may be in the range of 1 nm to 5 nm, such as 2 nm to 4 nm, although smaller or larger lateral thicknesses may be used. In one embodiment, each peripheral region (261P, 262P) of the memory film 26 may have a concentration gradient of the passivation element, where the atomic concentration of the passivation element (which may be fluorine or nitrogen atoms) decreases with distance from the surface (i.e., sidewall) of the memory film 26.

本開示の態様によると、酸素原子が存在しないか、又はその一部がフッ素原子又は窒素原子に置換された周辺領域(261P、262P)の存在は、各メモリセル20における周辺領域(261P、262P)内の導電性糸状体の形成を抑制することがある。幾つかの実施例において、各周辺領域(261P、262P)の外側セグメントは、酸素原子を含まなくてもよい。このような無酸素表面セグメントの横方向の厚さは、1nmから4nmの範囲内であってもよいが、それよりも小さい又は大きい厚さを使用してもよい。周辺領域(261P、262P)において、酸素原子の欠失又は減少により、メモリセル20の耐久性が向上し、また、酸素欠乏糸状体がないため、セルリーク電流が減少する。 According to aspects of the present disclosure, the presence of peripheral regions (261P, 262P) that are free of oxygen atoms or have some of them substituted with fluorine or nitrogen atoms may inhibit the formation of conductive threads in the peripheral regions (261P, 262P) of each memory cell 20. In some embodiments, the outer segments of each peripheral region (261P, 262P) may be free of oxygen atoms. The lateral thickness of such oxygen-free surface segments may be in the range of 1 nm to 4 nm, although smaller or larger thicknesses may be used. The lack or reduction of oxygen atoms in the peripheral regions (261P, 262P) improves the durability of the memory cell 20 and reduces cell leakage current due to the absence of oxygen-deficient threads.

図17A及び図17Bを参照し、図9A及び図9Bを参照して説明された処理工程を実行して上部ビアホールレベル誘電体材料層646、頂部接続ビアホール構造35、及び第3の金属ビアホール構造642を形成することができる。各頂部接続ビアホール構造35は、頂部金属バリア板29及び/又は頂部電極28に接触する。 17A and 17B, the process steps described with reference to FIGS. 9A and 9B can be performed to form an upper via level dielectric material layer 646, a top connection via hole structure 35, and a third metal via hole structure 642. Each top connection via hole structure 35 contacts a top metal barrier plate 29 and/or a top electrode 28.

図18A及び図18Bを参照し、図10A及び図10Bを参照して説明された処理工程を実行して配線レベル誘電体材料層647及び第4の金属配線構造648を形成することができる。下部ビアホールレベル誘電体材料層645と、エッチング・ストップ誘電体材料層18と、上部ビアホールレベル誘電体材料層646と、配線レベル誘電体材料層647との組合せは、第4の相互接続レベル誘電体材料層640のような相互接続レベル誘電体材料層を構成する。一つの実施例において、第4の金属配線構造648のサブセットは、第1の水平方向hd1に沿って横方向に延在するビット線648Bを含んでもよい。ビット線648Bの各々は、第1の水平方向hd1に沿って配置された頂部接続ビアホール構造35における個別の列に接触してもよい。一つの実施例において、ビット線648Bは、第2の水平方向hd2に沿って第2のピッチp2の周期性を周期的に有してもよい。 18A and 18B, the process steps described with reference to FIGS. 10A and 10B may be performed to form an interconnect level dielectric material layer 647 and a fourth metal wiring structure 648. The combination of the lower via hole level dielectric material layer 645, the etch stop dielectric material layer 18, the upper via hole level dielectric material layer 646, and the wiring level dielectric material layer 647 constitutes an interconnect level dielectric material layer such as the fourth interconnect level dielectric material layer 640. In one embodiment, a subset of the fourth metal wiring structure 648 may include bit lines 648B extending laterally along the first horizontal direction hd1. Each of the bit lines 648B may contact a respective column of the top connection via hole structures 35 arranged along the first horizontal direction hd1. In one embodiment, the bit lines 648B may have a periodicity of the second pitch p2 along the second horizontal direction hd2.

第2の例示的な構造は、半導体構造を含む。半導体構造は、メモリセル20の二次元アレイを含み、メモリセル20は、基板8で被覆される個別の第1の電極24、個別のメモリ膜26、及び個別の第2の電極28を含む。二次元アレイ積み重ね内の各メモリ膜26は、不動態化元素と酸素との第1の平均原子比が0.01未満である個別の中央領域(261C、262C)を含み、且つ不動態化元素と酸素との第2の平均原子比が0.05よりも大きい個別の周辺領域(261P、262P)を含む。 A second exemplary structure includes a semiconductor structure. The semiconductor structure includes a two-dimensional array of memory cells 20, each of which includes an individual first electrode 24, an individual memory film 26, and an individual second electrode 28, overlaid by a substrate 8. Each memory film 26 in the two-dimensional array stack includes an individual central region (261C, 262C) having a first average atomic ratio of passivation element to oxygen less than 0.01, and an individual peripheral region (261P, 262P) having a second average atomic ratio of passivation element to oxygen greater than 0.05.

半導体構造は、基板8に位置し、その中のアクセストランジスター70Aの各々がメモリセル20の二次元アレイ内のメモリセル20の各々に電気的に接続されるアクセストランジスター70Aの二次元アレイと、誘電体材料層(601、610、620、630、645、18)内にあり、アクセストランジスター70Aの二次元アレイとメモリセル20の二次元アレイとの間に電気的接続を提供する金属相互接続構造(612、618、622、628、632、638、15)とを更に含む。 The semiconductor structure further includes a two-dimensional array of access transistors 70A located in the substrate 8, each of the access transistors 70A therein being electrically connected to each of the memory cells 20 in the two-dimensional array of memory cells 20, and a metal interconnect structure (612, 618, 622, 628, 632, 638, 15) located within the dielectric material layer (601, 610, 620, 630, 645, 18) and providing electrical connection between the two-dimensional array of access transistors 70A and the two-dimensional array of memory cells 20.

一つの実施例において、金属相互接続構造(612、618、622、628、632、638、15)は、ビアホール構造(例えば、底部接続ビアホール構造15)の二次元アレイを含み、また、誘電体材料層(601、610、620、630、645、18)は、ビアホール構造15の二次元アレイ内のビアホール構造の上面に接触し、水平延在部分及び垂直突出部の二次元アレイを含むエッチング・ストップ誘電体材料層18を含む。 In one embodiment, the metal interconnect structure (612, 618, 622, 628, 632, 638, 15) includes a two-dimensional array of via hole structures (e.g., bottom-connected via hole structures 15), and the dielectric material layer (601, 610, 620, 630, 645, 18) includes an etch-stop dielectric material layer 18 contacting the top surfaces of the via hole structures in the two-dimensional array of via hole structures 15 and including a two-dimensional array of horizontal extensions and vertical protrusions.

一つの実施例において、垂直突出部内の各々は、第1の電極24の個別のものの側壁に垂直に重なり合う個別の側壁を含み、水平延在部分の個別の周辺と隣接する個別の底部周辺Pを有し、エッチング・ストップ誘電体材料層18は、その中を貫通する開口の二次元アレイを含み、且つエッチング・ストップ誘電体材料層18を貫通する各開口は、平面図において完全に第1の電極24の個別のものの領域内に位置する。 In one embodiment, each of the vertical protrusions includes a respective sidewall that vertically overlaps a respective one of the first electrodes 24 and has a respective bottom perimeter P adjacent a respective perimeter of the horizontally extending portion, the etch-stop dielectric material layer 18 includes a two-dimensional array of openings therethrough, and each opening through the etch-stop dielectric material layer 18 is located entirely within the area of a respective one of the first electrodes 24 in plan view.

図19を参照し、図12の処理工程においてメモリ材料層26Lとして単一誘電体金属酸化層を用いることによって、第2の例示的な構造から第2の例示的な構造の代替的な構成を得ることができる。この実施例において、各メモリ膜26は、単一誘電体金属酸化層から構成され得る。各メモリ膜26は、中央領域260C及び周辺領域260Pを含む。中央領域260C及び周辺領域260Pは、それぞれ上記した第1の中央領域261C及び第1の周辺領域261Pの組成を有し得るか、又はそれぞれ上記した第2の中央領域262C及び第2の周辺領域262Pの組成を有し得る。この実施例において、各メモリ膜26の中央領域は、第1の電極24の第1の界面と第2の電極28の第2の界面との間の垂直方向(即ち、垂直方向に沿う)に沿って同じ材料組成を有してもよい。 19, an alternative configuration of the second exemplary structure can be obtained from the second exemplary structure by using a single dielectric metal oxide layer as the memory material layer 26L in the process step of FIG. 12. In this example, each memory film 26 can be composed of a single dielectric metal oxide layer. Each memory film 26 includes a central region 260C and a peripheral region 260P. The central region 260C and the peripheral region 260P can have the composition of the first central region 261C and the first peripheral region 261P described above, respectively, or can have the composition of the second central region 262C and the second peripheral region 262P described above, respectively. In this example, the central region of each memory film 26 can have the same material composition along the vertical direction (i.e., along the vertical direction) between the first interface of the first electrode 24 and the second interface of the second electrode 28.

図20を参照し、図13、図14、図15、図16、図17Aと図17B、及び図18Aと図18Bを参照して説明された処理工程を実行することによって、図4に示す第1の例示的な構造から第2の例示的な構造の第2の代替的な構成を得ることができる。第2の例示的な構造の第2の代替的な構成において、選択的な底部金属バリア板22は、第1の底部金属バリア板221(第1の底部金属バリア層221Lのパターン化部)と、第2の底部金属バリア板222(第2の底部金属バリア層222Lのパターン化部)と、第3の底部金属バリア板223(第3の底部金属バリア層223Lのパターン化部)との積み重ねを含んでもよい。一つの実施例において、メモリ膜26と第1の電極24との間の各第1の界面は、水平中央セグメント、第1の電極24の凸面がメモリ膜26の凹面に接触する環状輪郭セグメント、及び環状輪郭セグメントの外周と隣接する水平環状セグメントを含んでもよい。メモリ膜26と第2の電極28との間の各第2の界面は、水平中央セグメント、第2の電極28の凹面がメモリ膜26の凸面に接触する環状輪郭セグメント、及び環状輪郭セグメントの外周と隣接する水平環状セグメントを含んでもよい。一つの実施例において、第1の電極24の1つ又は複数の側壁、メモリ膜26の1つ又は複数の側壁、及び絶縁スペーサ32で被覆される外側壁は、互いに垂直に重なり合ってもよい。メモリセル20が円形の水平断面形状を有する説明的な実施例において、垂直平面は、円筒状の垂直平面であってもよい。 20, a second alternative configuration of the second exemplary structure can be obtained from the first exemplary structure shown in FIG. 4 by carrying out the process steps described with reference to FIGS. 13, 14, 15, 16, 17A and 17B, and 18A and 18B. In the second alternative configuration of the second exemplary structure, the optional bottom metal barrier plate 22 may include a stack of a first bottom metal barrier plate 221 (patterned portion of the first bottom metal barrier layer 221L), a second bottom metal barrier plate 222 (patterned portion of the second bottom metal barrier layer 222L), and a third bottom metal barrier plate 223 (patterned portion of the third bottom metal barrier layer 223L). In one embodiment, each first interface between the memory film 26 and the first electrode 24 may include a horizontal central segment, an annular contour segment where the convex surface of the first electrode 24 contacts the concave surface of the memory film 26, and a horizontal annular segment adjacent to the outer periphery of the annular contour segment. Each second interface between the memory film 26 and the second electrode 28 may include a horizontal central segment, an annular contour segment where the concave surface of the second electrode 28 contacts the convex surface of the memory film 26, and a horizontal annular segment adjacent to the outer periphery of the annular contour segment. In one embodiment, one or more sidewalls of the first electrode 24, one or more sidewalls of the memory film 26, and the outer wall coated with the insulating spacer 32 may vertically overlap one another. In an illustrative embodiment in which the memory cell 20 has a circular horizontal cross-sectional shape, the vertical plane may be a cylindrical vertical plane.

図21を参照し、メモリ材料層26Lとして単一誘電体金属酸化層を用いることによって、第2の例示的な構造の第2の代替的な構成から第2の例示的な構造の第3の代替的な構成を得ることができる。この実施例において、各メモリ膜26は、単一誘電体金属酸化層から構成され得る。各メモリ膜26は、中央領域260C及び周辺領域260Pを含む。中央領域260C及び周辺領域260Pは、それぞれ上記した第1の中央領域261C及び第1の周辺領域261Pの組成を有し得るか、又はそれぞれ上記した第2の中央領域262C及び第2の周辺領域262Pの組成を有し得る。この実施例において、各メモリ膜26の中央領域は、第1の電極24の第1の界面と第2の電極28の第2の界面との間の垂直方向(即ち、垂直方向に沿う)に沿って同じ材料組成を有してもよい。 21, a third alternative configuration of the second exemplary structure can be obtained from the second alternative configuration of the second exemplary structure by using a single dielectric metal oxide layer as the memory material layer 26L. In this example, each memory film 26 can be composed of a single dielectric metal oxide layer. Each memory film 26 includes a central region 260C and a peripheral region 260P. The central region 260C and the peripheral region 260P can have the composition of the first central region 261C and the first peripheral region 261P described above, respectively, or can have the composition of the second central region 262C and the second peripheral region 262P described above, respectively. In this example, the central region of each memory film 26 can have the same material composition along the vertical direction (i.e., along the vertical direction) between the first interface of the first electrode 24 and the second interface of the second electrode 28.

図22を参照し、フロー図は、開示の半導体装置を形成するための方法の一般的な処理工程を示す。 Referring to FIG. 22, a flow diagram illustrates the general process steps of a method for forming the disclosed semiconductor device.

図1から図6B、図11、図12から図16、図19、図20、及び図21を参照し、工程2210において、基板8の上方に第1の電極24と、メモリ膜26と、第2の電極28とを含む積み重ねを形成することができる。一つの実施例において、メモリ膜26は、少なくとも1つの非化学量論的酸素欠乏誘電体金属酸化物材料を含む。 Referring to Figures 1-6B, 11, 12-16, 19, 20, and 21, in step 2210, a stack including a first electrode 24, a memory film 26, and a second electrode 28 can be formed above a substrate 8. In one embodiment, the memory film 26 includes at least one non-stoichiometric oxygen-deficient dielectric metal oxide material.

図7から図10B、図16から図18B、図19、図20、及び図21を参照し、工程2220において、積み重ねに不動態化プラズマ処理を実行することができる。メモリ膜26の周辺領域{(261P、262P)、260P}における不動態化元素と酸素との平均原子比は、0.01未満の第1の数から0.05よりも大きい第2の数まで増加する。 7-10B, 16-18B, 19, 20, and 21, in step 2220, the stack can be subjected to a passivation plasma treatment. The average atomic ratio of the passivation element to oxygen in the peripheral region {(261P, 262P), 260P} of the memory film 26 increases from a first number less than 0.01 to a second number greater than 0.05.

全ての図面を参照し、本開示の様々な実施例によると、第1の金属材料を含む第1の電極24と、少なくとも1つの誘電体金属酸化物材料を含み、第1の電極24に接触し、不動態化元素と酸素との第1の平均原子比が0.01未満である中央領域{(261C、262C)、260C}、及び不動態化元素と酸素との第2の平均原子比が0.05よりも大きい周辺領域{(261P、262P)、260P}を含むメモリ膜26と、第2の金属材料を含み、メモリ膜26に接触する第2の電極28と、を含む半導体構造を提供する。一つの実施例において、不動態化元素は、フッ素及び窒素から選ばれる。 With reference to all the drawings, according to various embodiments of the present disclosure, a semiconductor structure is provided that includes a first electrode 24 comprising a first metallic material, a memory film 26 comprising at least one dielectric metal oxide material and contacting the first electrode 24, the memory film 26 including a central region {(261C, 262C), 260C} having a first average atomic ratio of the passivating element to oxygen less than 0.01 and a peripheral region {(261P, 262P), 260P} having a second average atomic ratio of the passivating element to oxygen greater than 0.05, and a second electrode 28 comprising a second metallic material and contacting the memory film 26. In one embodiment, the passivating element is selected from fluorine and nitrogen.

一つの実施例において、少なくとも1つの誘電体金属酸化物材料は、少なくとも1つの糸状誘電体金属酸化物材料を含む。一つの実施例において、少なくとも1つの糸状誘電体金属酸化物材料の各々は、非化学量論的酸素欠乏誘電体金属酸化物材料である。一つの実施例において、メモリ膜26の中央領域{(261C、262C)、260C}は、不動態化元素を含まないか、又は0.01未満である不動態化元素と酸素との比を有する。 In one embodiment, the at least one dielectric metal oxide material includes at least one thread-like dielectric metal oxide material. In one embodiment, each of the at least one thread-like dielectric metal oxide material is a non-stoichiometric oxygen-deficient dielectric metal oxide material. In one embodiment, the central region {(261C, 262C), 260C} of the memory film 26 is free of passivating elements or has a ratio of passivating elements to oxygen that is less than 0.01.

一つの実施例において、メモリ膜26の中央領域{(261C、262C)、260C}は、第1の電極24の第1の界面と第2の電極28の第2の界面との間に垂直な方向に沿って同じ材料組成を有する。 In one embodiment, the central region {(261C, 262C), 260C} of the memory film 26 has the same material composition along a direction perpendicular to the first interface of the first electrode 24 and the second interface of the second electrode 28.

一つの実施例において、メモリ膜26は、層積み重ねを含み、層積み重ねは、少なくとも1つの第1の金属の誘電体金属酸化物を含む第1の誘電体金属酸化物材料、及び少なくとも1つの第2の金属の誘電体金属酸化物を含む第2の誘電体金属酸化物材料を含み、少なくとも1つの第1の金属に存在しない金属元素が存在すること、又は少なくとも1つの第1の金属に存在する金属元素が存在しないことによって、少なくとも1つの第2の金属は、少なくとも1つの第1の金属と異なる。 In one embodiment, the memory film 26 includes a layer stack including a first dielectric metal oxide material including a dielectric metal oxide of at least one first metal and a second dielectric metal oxide material including a dielectric metal oxide of at least one second metal, where the at least one second metal differs from the at least one first metal by the presence of a metal element that is not present in the at least one first metal or the absence of a metal element that is present in the at least one first metal.

一つの実施例において、第1の電極24とメモリ膜26との間の第1の界面は、水平セグメントを含み、且つメモリ膜26の側壁は、第1の電極24の側壁に垂直に重なり合う。一つの実施例において、メモリ膜26の側壁は、第2の電極28の側壁に垂直に重なり合う。一つの実施例において、半導体構造は、第2の電極28を横方向に囲む絶縁スペーサ32を含み、絶縁スペーサ32の外側壁は、メモリ膜26の側壁に垂直に重なり合う。 In one embodiment, the first interface between the first electrode 24 and the memory film 26 includes a horizontal segment, and the sidewalls of the memory film 26 vertically overlap the sidewalls of the first electrode 24. In one embodiment, the sidewalls of the memory film 26 vertically overlap the sidewalls of the second electrode 28. In one embodiment, the semiconductor structure includes an insulating spacer 32 that laterally surrounds the second electrode 28, and the outer sidewalls of the insulating spacer 32 vertically overlap the sidewalls of the memory film 26.

一つの実施例において、メモリ膜26の周辺領域{(261P、262P)、260P}は、不動態化元素の濃度勾配を有することによって、不動態化元素の原子濃度をメモリ膜26の表面からの距離に応じて減少させる。 In one embodiment, the peripheral regions of the memory film 26 {(261P, 262P), 260P} have a concentration gradient of the passivation element, such that the atomic concentration of the passivation element decreases with distance from the surface of the memory film 26.

一つの実施例において、半導体構造は、第1の電極24の下にあり且つ水平延在部分と、第1の電極24の側壁に垂直に重なり合う側壁を含み、水平延在部分の周辺と隣接する底部周辺を有する垂直突出部と、を含むエッチング・ストップ誘電体材料層18を含み、エッチング・ストップ誘電体材料層18は、平面視において第1の電極24の領域内を貫通する開口を有する。 In one embodiment, the semiconductor structure includes an etch-stop dielectric material layer 18 that underlies the first electrode 24 and includes a horizontally extending portion and a vertical protrusion that includes sidewalls that vertically overlap the sidewalls of the first electrode 24 and has a bottom periphery adjacent to the periphery of the horizontally extending portion, the etch-stop dielectric material layer 18 having an opening that penetrates within the region of the first electrode 24 in a plan view.

本開示の別の態様によると、メモリセル20の二次元アレイを含む半導体構造であって、メモリセル20は、基板8で被覆される個別の第1の電極24、個別のメモリ膜26、及び個別の第2の電極28を含み、二次元アレイ積み重ね内の各メモリ膜26は、不動態化元素と酸素との平均原子比が0.01未満である個別の中央領域{(261C、262C)、260C}と、不動態化元素と酸素との平均原子比が0.05よりも大きい個別の周辺領域{(261P、262P)、260P}とを含む、半導体構造を提供する。一つの実施例において、不動態化元素は、フッ素及び窒素から選ばれる。 According to another aspect of the present disclosure, a semiconductor structure is provided that includes a two-dimensional array of memory cells 20, each of which includes a first electrode 24, a memory film 26, and a second electrode 28, each of which includes a substrate 8 overlying the first electrode 24, a memory film 26, and a second electrode 28, each of which includes a central region {(261C, 262C), 260C} having an average atomic ratio of the passivation element to oxygen less than 0.01, and a peripheral region {(261P, 262P), 260P} having an average atomic ratio of the passivation element to oxygen greater than 0.05. In one embodiment, the passivation element is selected from fluorine and nitrogen.

一つの実施例において、半導体構造は、基板8に位置し、その中のアクセストランジスター70Aの各々がメモリセル20の二次元アレイ内のメモリセル20の各々に電気的に接続されるアクセストランジスター70Aの二次元アレイと、誘電体材料層(601、610、620、630、645、18)内に位置し、アクセストランジスター70Aの二次元アレイとメモリセル20の二次元アレイとの間の電気的接続を提供する金属相互接続構造(612、618、622、628、632、638、15)とを含む。 In one embodiment, the semiconductor structure includes a two-dimensional array of access transistors 70A located in a substrate 8, with each of the access transistors 70A electrically connected to a respective one of the memory cells 20 in the two-dimensional array of memory cells 20, and a metal interconnect structure (612, 618, 622, 628, 632, 638, 15) located in a dielectric material layer (601, 610, 620, 630, 645, 18) providing electrical connection between the two-dimensional array of access transistors 70A and the two-dimensional array of memory cells 20.

一つの実施例において、金属相互接続構造(612、618、622、628、632、638、15)は、ビアホール構造15の二次元アレイを含み、誘電体材料層(601、610、620、630、645、18)は、ビアホール構造15の二次元アレイ内のビアホール構造の上面に接触し、水平延在部分及び垂直突出部の二次元アレイを含むエッチング・ストップ誘電体材料層18を含む。 In one embodiment, the metal interconnect structure (612, 618, 622, 628, 632, 638, 15) includes a two-dimensional array of via hole structures 15, and the dielectric material layer (601, 610, 620, 630, 645, 18) includes an etch-stop dielectric material layer 18 contacting the top surfaces of the via hole structures in the two-dimensional array of via hole structures 15 and including a two-dimensional array of horizontal extensions and vertical protrusions.

一つの実施例において、垂直突出部内の各々は、第1の電極24の個別のものの側壁に垂直に重なり合う個別の側壁を含み、水平延在部分の個別の周辺と隣接する個別の底部周辺を有し、エッチング・ストップ誘電体材料層18は、その中を貫通する開口の二次元アレイを含み、且つエッチング・ストップ誘電体材料層18を貫通する各開口は、平面図において完全に第1の電極24の個別のものの領域内に位置する。 In one embodiment, each of the vertical protrusions includes a respective sidewall that vertically overlaps a respective one of the first electrodes 24 and has a respective bottom perimeter adjacent a respective perimeter of the horizontally extending portion, the etch-stop dielectric material layer 18 includes a two-dimensional array of openings therethrough, and each opening through the etch-stop dielectric material layer 18 is located entirely within the area of a respective one of the first electrodes 24 in plan view.

本開示の様々な実施例によると、第1の電極と、非化学量論的酸素欠乏誘電体金属酸化物材料を含む少なくとも1つのメモリ膜と、第2の電極と、を含む積み重ねを基板の上方に形成する工程と、メモリ膜の周辺領域において不動態化元素と酸素との平均原子比が0.01未満の第1の数から0.05よりも大きい第2の数まで増加するように、積み重ねに不動態化プラズマ処理を実行する工程と、を含み、不動態化元素は、フッ素及び窒素から選ばれる半導体構造の形成方法を提供する。一つの実施例において、半導体構造の形成方法は、第1の電極層と、メモリ材料層と、第2の電極層とを基板に形成する工程と、第2の電極層、メモリ材料層及び第1の電極層をパターン化する工程と、を更に含み、第1の電極は、第1の電極層のパターン化部を含み、メモリ膜は、メモリ材料層のパターン化部を含み、また、第2の電極は、第2の電極層のパターン化部を含む。一つの実施例において、半導体構造の形成方法は、パターン化フォトレジスト層を第2の電極層の上方に形成する工程と、第2の電極層、メモリ材料層、及び第1の電極層の、パターン化フォトレジスト層の複数の領域以外に位置する複数の部分を異方的にエッチングする工程と、を更に含み、第2の電極層、メモリ材料層、及び第1の電極層の複数の残りの部分は、第2の電極、メモリ膜、及び第1の電極を含む。一つの実施例において、半導体構造の形成方法は、パターン化フォトレジスト層を第2の電極層の上方に形成する工程と、エッチングシールドとしてパターン化フォトレジスト層を用いて第2の電極層を異方的にエッチングする工程であって、第2の電極層のパターン化部が第2の電極を含む工程と、パターン化フォトレジスト層を除去する工程と、第2の電極の周りに誘電体スペーサを形成する工程と、メモリ材料層及び第1の電極層の、誘電体スペーサ又は第2の電極で覆われていない複数の部分を異方的にエッチングする工程であって、メモリ材料層及び第1の電極層の複数のパターン化部がメモリ膜及び第1の電極を含む工程と、を更に含む。一つの実施例において、半導体構造の形成方法は、アクセストランジスター、及びアクセストランジスターに電気的に接続される複数の金属相互接続構造を基板の上方に形成する工程と、エッチング・ストップ誘電体材料層を金属相互接続構造の上方に形成する工程と、エッチング・ストップ誘電体材料層を貫通する開口を形成する工程であって、金属相互接続構造内のものの上面が開口の下方に露出し、第1の電極層、メモリ材料層及び第2の電極層が開口の上方に形成される工程と、第2の電極層、メモリ材料層、及び第1の電極層をパターン化する工程であって、エッチング・ストップ誘電体材料層の材料に対して選択性を有するエッチングケミストリーを使用した異方性エッチングプロセスを実行することを含む工程と、を更に含む。 According to various embodiments of the present disclosure, a method for forming a semiconductor structure includes forming a stack above a substrate, the stack including a first electrode, at least one memory film including a non-stoichiometric oxygen-deficient dielectric metal oxide material, and a second electrode, and performing a passivation plasma treatment on the stack such that an average atomic ratio of a passivation element to oxygen in a peripheral region of the memory film increases from a first number less than 0.01 to a second number greater than 0.05, the passivation element being selected from fluorine and nitrogen. In one embodiment, the method for forming a semiconductor structure further includes forming a first electrode layer, a memory material layer, and a second electrode layer on a substrate, and patterning the second electrode layer, the memory material layer, and the first electrode layer, the first electrode including a patterned portion of the first electrode layer, the memory film including a patterned portion of the memory material layer, and the second electrode including a patterned portion of the second electrode layer. In one embodiment, the method of forming a semiconductor structure further includes forming a patterned photoresist layer over the second electrode layer, and anisotropically etching a plurality of portions of the second electrode layer, the memory material layer, and the first electrode layer that are located outside the plurality of regions of the patterned photoresist layer, where the plurality of remaining portions of the second electrode layer, the memory material layer, and the first electrode layer include the second electrode, the memory film, and the first electrode. In one embodiment, the method of forming a semiconductor structure further includes forming a patterned photoresist layer over the second electrode layer, anisotropically etching the second electrode layer using the patterned photoresist layer as an etch shield, where the patterned portion of the second electrode layer includes the second electrode, removing the patterned photoresist layer, forming a dielectric spacer around the second electrode, and anisotropically etching a plurality of portions of the memory material layer and the first electrode layer that are not covered by the dielectric spacer or the second electrode, where the plurality of patterned portions of the memory material layer and the first electrode layer include the memory film and the first electrode. In one embodiment, the method for forming a semiconductor structure further includes forming an access transistor and a plurality of metal interconnect structures electrically connected to the access transistor above the substrate; forming an etch-stop dielectric material layer above the metal interconnect structures; forming an opening through the etch-stop dielectric material layer, where a top surface of one of the metal interconnect structures is exposed below the opening, and forming a first electrode layer, a memory material layer, and a second electrode layer above the opening; and patterning the second electrode layer, the memory material layer, and the first electrode layer, where the anisotropic etching process includes performing an etching chemistry selective to the material of the etch-stop dielectric material layer.

本開示の様々な実施例は、酸素欠乏糸状誘電体金属酸化物材料を含むメモリセル20の耐久性を100000回のサイクル以上、及び/又は1000000回のサイクル以上、及び/又は10000000回のサイクル以上まで増加するために使用され得る。また、本開示の様々な実施例は、メモリ膜26の周辺領域から酸素欠損を除去することによってメモリセル20を通したリーク電流を減少させることができる。 Various embodiments of the present disclosure may be used to increase the endurance of memory cells 20 including oxygen-deficient thread-like dielectric metal oxide materials to greater than 100,000 cycles, and/or greater than 1,000,000 cycles, and/or greater than 10,000,000 cycles. Various embodiments of the present disclosure may also reduce leakage current through memory cells 20 by removing oxygen defects from peripheral regions of memory film 26.

前述の内容は、いくつかの実施例の特徴を概説し、当業者が本開示の態様をより良く理解させることができる。当業者は、本明細書で導入される実施例を実施するための同一の目的を及び/又は同一の利点を達成するための他のプロセス及び構造を設計又は修正するための基礎として、本開示を容易に使用できることを理解すべきである。当業者は、このような等価構造は本開示の精神及び範囲から逸脱するものではなく、また、このような等価構造は、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書で様々な変更、置換、及び代替を行うことができることに認識すべきである。 The foregoing outlines features of some embodiments to enable those skilled in the art to better understand the aspects of the present disclosure. Those skilled in the art should appreciate that the present disclosure can be readily used as a basis for designing or modifying other processes and structures for achieving the same purposes and/or advantages for implementing the embodiments introduced herein. Those skilled in the art should recognize that such equivalent structures do not depart from the spirit and scope of the present disclosure, and that various changes, substitutions, and alterations can be made herein without departing from the spirit and scope of the present disclosure.

8 基板
9 半導体材料層
15 底部接続ビアホール構造
18 エッチング・ストップ誘電体材料層
19 フォトレジスト層
20 メモリセル
20L 積み重ね
22 バリア板
22L バリア層
24 第1の電極
24L 第1の電極層
26 メモリ膜
26L メモリ材料層
28 第2の電極
28L 第2の電極層
29 バリア板
29L バリア層
30 ハードシールドキャップ
30L ハードシールド層
32 絶縁スペーサ
35 頂部接続ビアホール構造
37 パターン化フォトレジスト層/シールド層
70A トランジスター
100 メモリアレイ領域
200 周辺領域
221 バリア板
221L バリア層
222 バリア板
222L バリア層
223 バリア板
223L バリア層
260C 中央領域
260P 周辺領域
261 酸化層
261C 中央領域
261L 酸化層
261P 周辺領域
262 酸化層
262C 中央領域
262L 酸化層
262P 周辺領域
291 バリア板
291L バリア層
292 バリア板
292L バリア層
601 誘電体材料層
610 誘電体材料層
612 ビアホール構造
618 配線構造
620 誘電体材料層
622 ビアホール構造
628 配線構造
630 誘電体材料層
632 ビアホール構造
638 配線構造
640 誘電体材料層
642 ビアホール構造
645 誘電体層/誘電体材料層
646 誘電体材料層
647 誘電体材料層
648 配線構造
648B ビット線
700 CMOS回路システム
701 トランジスター
720 浅溝分離構造
732 ソース電極
735 半導体チャネル
738 ドレイン電極
742 合金領域
748 合金領域
750 ゲート構造
752 誘電体層
754 ゲート電極
756 スペーサ
758 誘電体
810 曲線
820 曲線
2210~2220 工程
hd1 水平方向
hd2 水平方向
P 底部周辺
p1 ピッチ
p2 ピッチ
8 Substrate 9 Semiconductor material layer 15 Bottom connection via hole structure 18 Etch stop dielectric material layer 19 Photoresist layer 20 Memory cell 20L Stack 22 Barrier plate 22L Barrier layer 24 First electrode 24L First electrode layer 26 Memory film 26L Memory material layer 28 Second electrode 28L Second electrode layer 29 Barrier plate 29L Barrier layer 30 Hard shield cap 30L Hard shield layer 32 Insulating spacer 35 Top connection via hole structure 37 Patterned photoresist layer/shield layer 70A Transistor 100 Memory array region 200 Peripheral region 221 Barrier plate 221L Barrier layer 222 Barrier plate 222L Barrier layer 223 Barrier plate 223L Barrier layer 260C Central region 260P Peripheral region 261 Oxide layer 261C Central region 261L Oxide layer 261P Peripheral region 262 Oxidation layer 262C Central region 262L Oxidation layer 262P Peripheral region 291 Barrier plate 291L Barrier layer 292 Barrier plate 292L Barrier layer 601 Dielectric material layer 610 Dielectric material layer 612 Via hole structure 618 Wiring structure 620 Dielectric material layer 622 Via hole structure 628 Wiring structure 630 Dielectric material layer 632 Via hole structure 638 Wiring structure 640 Dielectric material layer 642 Via hole structure 645 Dielectric layer/dielectric material layer 646 Dielectric material layer 647 Dielectric material layer 648 Wiring structure 648B Bit line 700 CMOS circuit system 701 Transistor 720 Shallow trench isolation structure 732 Source electrode 735 Semiconductor channel 738 Drain electrode 742 Alloy region 748 Alloy region 750 Gate structure 752 Dielectric layer 754 Gate electrode 756 Spacer 758 Dielectric 810 Curve 820 Curves 2210-2220 Step hd1 Horizontal direction hd2 Horizontal direction P Bottom periphery p1 Pitch p2 Pitch

Claims (9)

第1の金属材料を含む第1の電極と、
少なくとも1つの誘電体金属酸化物材料を含み、前記第1の電極に接触し、不動態化元素と酸素との第1の平均原子比が0.01未満である中央領域と、前記不動態化元素と酸素との第2の平均原子比が0.05よりも大きい周辺領域と、を含み、前記不動態化元素は、フッ素及び窒素から選ばれるメモリ膜と、
第2の金属材料を含み、前記メモリ膜に接触する第2の電極と、
前記第1の電極の下に位置し、水平延在部分と、前記第1の電極の側壁に垂直に重なり合う側壁を含み、前記水平延在部分の周辺と隣接する底部周辺を有する垂直突出部と、を含むエッチング・ストップ誘電体材料層を更に含み、
前記エッチング・ストップ誘電体材料層は、平面視において前記第1の電極の領域内を貫通する開口を含む半導体構造。
a first electrode including a first metallic material;
a memory film comprising at least one dielectric metal oxide material, in contact with the first electrode, the memory film comprising a central region having a first average atomic ratio of a passivating element to oxygen less than 0.01, and a peripheral region having a second average atomic ratio of the passivating element to oxygen greater than 0.05, the passivating element being selected from fluorine and nitrogen;
a second electrode including a second metallic material and in contact with the memory film;
an etch-stop dielectric material layer underlying the first electrode and including a horizontally extending portion and a vertical protrusion including sidewalls vertically overlapping sidewalls of the first electrode and having a bottom perimeter adjacent a perimeter of the horizontally extending portion;
The semiconductor structure , wherein the etch-stop dielectric material layer includes an opening extending therethrough in a plan view within the region of the first electrode .
前記第1の電極と前記メモリ膜との間の第1の界面は、水平セグメントを含み、且つ
前記メモリ膜の側壁は前記第1の電極の側壁に垂直に重なり合う請求項1に記載の半導体構造。
2. The semiconductor structure of claim 1, wherein a first interface between the first electrode and the memory film includes a horizontal segment; and a sidewall of the memory film vertically overlaps a sidewall of the first electrode.
前記メモリ膜の前記側壁は前記第2の電極の側壁に垂直に重なり合う請求項2に記載の半導体構造。 The semiconductor structure of claim 2, wherein the sidewall of the memory film vertically overlaps the sidewall of the second electrode. 前記第2の電極を横方向に囲む絶縁スペーサを更に含み、前記絶縁スペーサの外側壁は前記メモリ膜の前記側壁に垂直に重なり合う請求項2に記載の半導体構造。 The semiconductor structure of claim 2, further comprising an insulating spacer laterally surrounding the second electrode, the outer sidewall of the insulating spacer vertically overlapping the sidewall of the memory film. 前記メモリ膜の前記周辺領域は、不動態化元素の濃度勾配を有することにより、前記不動態化元素の原子濃度が前記メモリ膜の表面からの距離に応じて減少する請求項1~4の何れか一項に記載の半導体構造。 The semiconductor structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the peripheral region of the memory film has a concentration gradient of a passivating element such that the atomic concentration of the passivating element decreases with distance from the surface of the memory film. 個別の第1の電極と、個別のメモリ膜と、個別の第2の電極と、を含む基板上に配置されたメモリセルの二次元アレイを含む半導体構造であって、
前記メモリセルの二次元アレイ内の各前記個別のメモリ膜は、
不動態化元素と酸素との原子比が0.01未満である個別の中央領域と、
前記不動態化元素と酸素との前記原子比が0.05よりも大きい個別の周辺領域と、を含み、前記不動態化元素は、フッ素及び窒素から選ばれるものであり、
前記個別の第1の電極の下に位置し、水平延在部分と、前記個別の第1の電極の側壁に垂直に重なり合う側壁を含み、前記水平延在部分の周辺と隣接する底部周辺を有する垂直突出部と、を含むエッチング・ストップ誘電体材料層を更に含み、
前記エッチング・ストップ誘電体材料層は、平面視において前記個別の第1の電極の領域内を貫通する開口を含む半導体構造。
1. A semiconductor structure including a two-dimensional array of memory cells disposed on a substrate including respective first electrodes, respective memory films , and respective second electrodes,
Each individual memory film in the two-dimensional array of memory cells comprises:
a distinct central region having an atomic ratio of passivating element to oxygen of less than 0.01;
a discrete peripheral region in which the atomic ratio of the passivating element to oxygen is greater than 0.05, the passivating element being selected from fluorine and nitrogen;
an etch-stop dielectric material layer underlying the respective first electrodes and including a horizontally extending portion and a vertical protrusion having a bottom periphery adjacent a periphery of the horizontally extending portion and including sidewalls vertically overlapping the sidewalls of the respective first electrodes;
The semiconductor structure , wherein the etch-stop dielectric material layer includes openings therethrough that, in a plan view, are in the areas of the respective first electrodes .
前記基板に位置し、その中の各アクセストランジスターが前記メモリセルの二次元アレイ内の各メモリセルに電気的に接続されるアクセストランジスターの二次元アレイと、
複数の誘電体材料層内に位置し、前記アクセストランジスターの二次元アレイと前記メモリセルの二次元アレイとの間に電気的接続を提供する金属相互接続構造と、
を更に含む請求項に記載の半導体構造。
a two-dimensional array of access transistors located in the substrate, each access transistor therein being electrically connected to a respective memory cell in the two-dimensional array of memory cells;
a metal interconnect structure located within the plurality of layers of dielectric material and providing electrical connection between the two-dimensional array of access transistors and the two-dimensional array of memory cells;
7. The semiconductor structure of claim 6, further comprising:
基板上にエッチング・ストップ誘電体材料層を形成する工程と、
第1の電極と、非化学量論的酸素欠乏誘電体金属酸化物材料を含む少なくとも1つのメモリ膜と、第2の電極と、を含む積み重ねを前記基板の上方に形成する工程と、
前記エッチング・ストップ誘電体材料層は、前記第1の電極の下に位置し、水平延在部分と、前記第1の電極の側壁に垂直に重なり合う側壁を含み、前記水平延在部分の周辺と隣接する底部周辺を有する垂直突出部と、を含み、
前記エッチング・ストップ誘電体材料層は、平面視において前記第1の電極の領域内を貫通する開口を含み、
前記メモリ膜の周辺領域において不動態化元素と酸素との平均原子比が0.01未満の第1の数から0.05よりも大きい第2の数まで増加するように、前記積み重ねに不動態化プラズマ処理を実行する工程と、
を含み、
前記不動態化元素は、フッ素及び窒素から選ばれる半導体構造の形成方法。
forming an etch-stop dielectric material layer over a substrate;
forming a stack above said substrate comprising a first electrode, at least one memory film comprising a non-stoichiometric oxygen deficient dielectric metal oxide material, and a second electrode;
the etch-stop dielectric material layer underlies the first electrode and includes a horizontally extending portion and a vertically protruding portion having a bottom periphery adjacent a periphery of the horizontally extending portion and including sidewalls vertically overlapping sidewalls of the first electrode;
the etch-stop dielectric material layer includes an opening extending through the first electrode region in a plan view;
performing a passivation plasma treatment on the stack such that an average atomic ratio of passivation element to oxygen in a peripheral region of the memory film increases from a first number less than 0.01 to a second number greater than 0.05;
Including,
A method for forming a semiconductor structure wherein said passivating element is selected from fluorine and nitrogen.
第1の電極層、メモリ材料層、及び第2の電極層を前記基板に形成する工程と、
前記第2の電極層、前記メモリ材料層、及び前記第1の電極層をパターン化する工程と、
を更に含み、
前記第1の電極は前記第1の電極層のパターン化部を含み、
前記メモリ膜は前記メモリ材料層のパターン化部を含み、
前記第2の電極は前記第2の電極層のパターン化部を含む請求項に記載の方法。
forming a first electrode layer, a memory material layer, and a second electrode layer on the substrate;
patterning the second electrode layer, the memory material layer, and the first electrode layer;
Further comprising:
the first electrode includes a patterned portion of the first electrode layer;
the memory film includes a patterned portion of the layer of memory material;
The method of claim 8 , wherein the second electrode comprises a patterned portion of the second electrode layer.
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